第七章 地下水的化学组分

,第七章地下水的化学组分及其演变,71概述72地下水的化学特征73地下水的温度74地下水化学成分的形成作用75地下水化学成分的基本成因类型76地下水化学成分的分析内容与分类图示,71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。,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刻影响；因此，不能从纯化学角度，孤立、静止的研究地下水的化学成分及其形成，而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变的内在依据与规律。,71概述,72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O2、N2、CO2、CH4、H2S等。尤其以前三种为主。气体含量的意义？11）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。,溶解性总固体：溶解性总固体是指溶解在水中的无机盐和有机物的总称(不包括悬浮和溶解气体等非固体组分)，用缩略词TDS表示。ml/L或g/L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Mdegreeofmineralization；总溶解固体TDStotaldissolvedsolid。现已开用采用溶解总固体代替总矿化度。按溶解性总固体含量(g/L)，将地下水分类如下：淡水50；,2地下水中主要离子成分,测定：一般以105110C时将水蒸干所得的干涸残余物总量来表示矿化度（M）；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。,2地下水中主要离子成分7大离子：Cl、SO42、HCO3、Na、K、Ca2、Mg2。2低矿化水中（M5g/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：3,）Cl主要出现在高矿化水中，可达几g/L100g/L以上。来源：来自沉积岩氯化物的溶解；来自岩浆岩中含氯矿物的风化溶解；来自海水；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：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；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：含石膏（CaSO42H2O）或其它硫酸盐的沉积岩的溶解；硫化物的氧化：2FeS2+7O2+2H2O2FeSO4+4H+2SO42（黄铁矿）注意：由于煤系地层（CP）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；金属硫化物矿床附近的地下水中常含有大量的SO42；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；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。,）HCO3低矿化水的主要阴离子。来源：含碳酸盐的沉积盐（石灰岩、白云岩）与变质岩（大理盐）：CaCO3+H2O+CO22HCO3+Ca2+MgCO3+H2O+CO22HCO3+Mg2+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。）Na+高矿化水中的主要阳离子。来源：沉积岩中岩盐及其它钠盐的溶解；海水；岩浆岩和变质岩地区含钠矿物的风化溶解；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。,）K+高矿化水中含量较多。来源与分布特点与Na+相近：含钾盐类沉积岩的溶解；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：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）；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。）Ca2+是低矿化水中的主要阳离子。来源：碳酸盐类沉积物及含石膏沉积物的溶解；岩浆岩、变质岩中含钙矿物的风化溶解。,）Mg2+来源及分布与Ca2+相近：含镁的碳酸盐类沉积岩（白云盐、泥灰盐）；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。部分原因是由于地壳组成中Mg2+比Ca2+少；碱性岩浆岩中的地下水，含Mg2+较高。地下水中各种离子的测定方法，参阅水质分析的有关书籍。,地下水中的同位素组成地下水中存在多种同位素，最有意义的是氢(1H、2H、3H)，氧(16O、17O、18O)，碳(12C、13C、14C).。氘(2H或D)及氧-18(18O)是常见氢氧稳定同位素，由于质量不同，在转化时发生分馏。例如，蒸发时重同位素(2H、18O)不易逸出，在液态水中相对富集；凝结时液态水中也富集重同位素。因此，降水中氢氧重同位素丰度的分布存在多种效应。氚(3H)及碳-14(14C)是常见的放射性同位素，可以测定地下水平均贮留时间(年龄)，测年范围分别为50-60万及5万-6万年。,4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。,73地下水的温度,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（）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1.54/100m。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。,地壳表层可分为3个带：,两个公式：利用地温梯度（），概略计算某一深度的地下水水温（T）：T=t+(h)式中：t年平均气温；H地下水埋深；h常温带深度。利用地下水温（T），推算其大致循环深度（H）：,74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0.020.05g/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：41）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。那么，是否溶滤作用愈强烈，地下水中的化学组分含量就愈多呢？,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。,随着溶滤作用的进行：,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。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：5气候：干旱半干旱；地势：低平；地下水位：埋藏浅；排泄区（从别处带来的盐分在排泄区集聚）。,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+2HCO3CO2+H2O+CaCO3Mg2+2HCO3CO2+H2O+MgCO3结果：地下水中HCO3、Ca2、Mg2减少；矿化度降低。泉口的钙华现象即脱碳酸作用。,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+2H2OH2S+2HCO3结果：水中SO42减少以至消失；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。,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：HFe3Al3+Ca2Mg2KNa离子价愈高，离子半径愈大，则吸附能力也愈大，H例外；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；颗粒愈细，比表面积愈大，交替吸附作用也就愈强；粘土及粘土岩类最容易发生交替吸附作用。,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：可能发生化学反应形成化学类型完全不同的地下水；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。,人类活动在地下水化学成分形成中的作用污染地下水：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。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。,75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。从形成地下水化学成分的基本成因出发，将地下水分为三个主要成因类型：溶滤水、沉积水和内生水。1溶滤水富含CO2与O2的渗入成因的地下水，溶滤它所流经的岩土而获得其主要化学成分，这种水称之为溶滤水。（地下水的化学成分主要由溶滤作用形成）影响因素：岩性、气候、地形地貌：,岩性：石灰岩、白云岩：HCO3Ca、HCO3CaMg型水；含石膏的沉积岩区：SO4Ca型水；酸性岩浆岩区：HCO3Na型水；煤系地层、金属硫化物矿床分布区：SO4型水。气候：潮湿气候区：易溶组分溶滤带走，最终以难溶组分为主，形成低矿化的重碳酸型水；干旱气候下平原、盆地排泄区：由于盐分不断带来，水分蒸发，盐分积累，最终形成高矿化的氯化物水。地形地貌：切割强烈的山区：径流强，水交替快，形成低矿化的以难溶离子为主的水；地势低平的平原、盆地：径流微弱，水交替缓慢，形成高矿化的，以易溶离子为主的水。,2）地下水的水平与垂直分带：,干旱地区的山前倾斜平原、盆地（平面上）：,从上到下（垂向上）：,3）构造：开启性好：低M，HCO3型水；封闭：高M，Cl型水。绝大部分地下水属于溶滤水（不论承压水、潜水）。,2沉积水沉积水是指与沉积物大体同时生成的古地下水。3内生水内生水指来自地球深部层圈的水。内生水的研究至今还很不成熟。,76地下水化学成分的分析内容与分类图示,地下水化学成分的分析是研究地下水化学成分及其形成作用的基础。工作目的与要求不同，分析项目与精度也不同。分析内容在水文地质中分为：简分析、全分析、专门分析。1）简分析目的：了解区域地下水化学成分的概貌。特点；分析项目少，精度要求低，简便快速，成本不高，技术上容易掌握。分析项目：物理性质：温度、颜色、透明度、嗅味、味道等；定量分析：HCO3、SO42、Cl、Ca2、Mg2，总硬度、p值；通过计算求得：其它主要离子：K+Na、总矿化度；定性分析：NO3、NO2、NH4+、Fe2+、Fe3+、H2S、耗氧量等。,方法：可在野外利用专门水质分析箱进行；取水样送实验室分析。2）全分析目的：全面地了解地下水的化学成分。通常在简分析的基础上选择有代表性的水样进行全分析。特点：分析项目较多，要求精度高。定量分析：HCO3、SO42、Cl、CO32、N