水文地质学课件ppt版 07gzj 地下水的化学组分及其演变

FundamentalsofHydrogeoloy

水文地质学基础第七章地下水的化学组分及其演变7.4地下水的温度7.3地下水中的微生物本章内容7.1概述7.2地下水化学特征7.5地下水化学成分形成作用7.6地下水基本成因类型及其化学特征7.7地下水化学成分分析及其图示7.1概述地下水不是纯的H2O，而是天然溶液，含有各种组分。水是良好的溶剂，在空隙中运移时，可溶解岩石中的成分。在自然界水循环过程中，地下水与大气圈、水圈与生物圈同时发生着水量和化学成分的交换。物理性质：温度、颜色、嗅、味、密度、导电性、放射性。化学性质：气体成分、离子成分、胶体物质、有机质等。水是岩石中元素迁移、分散与富集的载体。研究许多地质作用时都不能不涉及地下水的化学作用。不同的用水目的在利用地下水时，对水的质量有一定要求（如：饮用水、锅炉用水、地下水对混凝土的侵蚀性）研究地下水的化学成分与作用必须与地下水的流动条件结合7.2地下水化学特征地下水成分：气体、离子、胶体、有机质及微生物。7.2.1地下水主要气体成分一、地下水中常见的气体成分氧（O2）、氮（N2）、二氧化碳（CO2）硫化氢（H2S）、甲烷（CH4），以前三种为主。

常见气体成分与地下水所处环境和地下水来源有关气体成分地下水中常见的气体成分1、氧（oxygen,O2）、氮（nitrogen,N2）起源：大气圈随降水入渗进入含水层中，如富含O2与N2——说明地下水是大气起源的，氮还有生物起源与变质起源环境：在封闭环境下，氧被耗尽只剩下N2，指示水是大气起源且处于封闭环境2、硫化氢（H2S）、甲烷（methane,CH4）

这两种气体都是在较封闭环境中，在有机质与微生物参与的生物化学过程中形成。还原环境下：SO2-4→H2S，成煤过程，煤田水成油过程，油气藏，油田水CompanyLogo

气体成分3、二氧化碳（CO2）大气降水中的CO2含量较低，地下水中CO2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：在深部高温下，也可变质生成CO2

人类活动：在化石燃料（煤、石油、天然气），导致大气中的CO2增加。

地下水中CO2增加，水对碳酸盐岩的溶解、结晶岩风化溶解能力愈强！CompanyLogo地下水中气体成分的意义：气体成分——指示地下水所处的地球化学环境

氧化环境—oxidation

氧(O2)、氮(N2)、二氧化碳(CO2)

还原环境—deoxidation硫化氢（H2S）、甲烷（CH4）

气体成分—可以增加水对盐类的溶解能力促进水→岩的化学反应，相互作用气体成分——研究意义7.2.2

地下水主要离子成分基本概念溶解性总固体(totaldissolvedsolids)——溶解在水中的无机盐和有机物的总称，用缩略词TDS表示。总矿化度（矿化度）——溶于水中的离子、分子与化合物的总和。按溶解性总固体含量（g/L），将地下水分类：淡水<1；微咸水（brackishwater）1~3，咸水（salinewater）3~10；盐水10~50；卤水>50CompanyLogo地下水中的主要离子成分水中离子成分主要取决于：①元素的丰度：某元素在地壳化学成分中的重量百分比；②元素组成的化合物在水中的溶解度地壳中主要元素有哪些？氧硅铝铁钙钠钾镁氢地壳中丰度较高的元素：Si、Al、Fe（地下水中低）地壳中丰度较低的元素：Cl、S、C（地下水中高）地下水中主要离子有：Anion阴离子：HCO-3、SO2-4、Cl-

NO3-Cation

阳离子：Ca2+、Mg2+、K+、Na+与主要离子构成的盐类溶解度有关（参见p54表7.1）：通常，溶解度：碳酸盐类<硫酸盐类<氯化物常见离子在水中的相对含量与地下水中的总固体溶解物（TDS）——或矿化度有关。通常……矿化度(g/L):低(<1)中(1-10)高(10-30)阴离子:HCO-3 SO2-4

Cl-

阳离子:Ca2+ Ca2+,Mg2+

Na+,K+

水中阴离子在地下水水流过程的（分布）变化CompanyLogo++++++++++Cl-++++++++SO42-+++++++HCO3-地下水水流过程的阴离子变化CompanyLogo地下水中主要离子成分及来源（详见p54-56）低矿化度水中的常见离子：HCO-3，Ca2+，Mg2+，常来源与沉积盐岩、岩浆岩、变质岩的风化溶解高矿化度水中的常见离子：Cl-,Na+,K+，沉积盐岩（钠盐、钾盐）的溶解、变质岩风化溶解，海水影响中等矿化度的常见离子：

SO42-：沉积盐类溶解、金属硫化物的氧化、火山喷发

H2S

气体氧化、人类活动—人体及其排泄物；燃烧煤产生大量SO2，SO2氧化后形成之，大气中SO42-过高时，降“酸雨”7.2.3地下水中的同位素组分同位素——具有相同质子数、不同中子数的同一元素的不同核素，互为同位素(isotope)。最有意义的同位素：氢（1H、2H、3H），氧（16O、17O、18O），碳（12C、13C、14C）。氘（2H或D）及氧-18（18O）是常见的氢氧稳定同位素，在转化时容易分馏。氚（3H）及碳-14（14C）是常见的放射性同位素。同位素方法发展十分迅速，称为水文地质学不可缺少的技术手段。7.2.4地下水其它组分地下水中次要离子：地下水中微量组分：Br、I、F、Ba、Li、Sr、Se、Co、Mo、Cu、Pb、Zn、B、As等。地下水中以未离解的化合物构成的胶体，主要有：Fe(OH)3、Al(OH)3、H2SiO3，以及有机化合物等。7.3地下水中的微生物地下水中的极端微生物：嗜热菌、嗜盐菌、嗜碱菌、嗜酸菌、嗜压菌、嗜冷菌、及抗辐射、耐干燥、抗高浓度金属离子和极端厌氧的微生物。微生物作用：①参与地下水化学形成作用，改变地下水组分；②生物修复地下水污染；③改变含水介质特性；④参与成岩作用；⑤参与成矿作用微生物是氧化—还原作用的触媒。氧化—还原作用时：电子供体失去电子，化合价升高，形成氧化产物；电子受体获得电子，化合价降低，形成还原产物；

污染地下水的生物修复中，微生物主要起两种作用：①作为触媒使有机污染物氧化为二氧化碳而降解；②能够吸附重金属离子，通过触媒作用还原或氧化金属和准金属而改变其活动性。可溶岩喀斯特化——多种微生物的生物化学作用，影响碳酸盐的溶解与沉淀。微生物形成金属矿床机理：①带负电荷的微生物细胞表面能键合金属离子，被键合的金属离子与阴离子反映，形成盐类沉淀；②微生物代谢有机物形成有利于矿床堆积的物理化学环境。7.4地下水的温度地壳表层有两个热能来源：太阳辐射、地球内部的热流。地壳表层分为：变温带、常温带、增温带。地温梯度——每增加单位深度时地温的增值。已知年平均气温（t）、年常温带深度（h）时，可粗略计算某一深度（H）的地下水水温（T）,即T=t+(H-h)r利用地下水水温，可推算大致循环深度（H），即CompanyLogo7.5地下水化学成分形成作用溶滤作用—水岩相互作用时发生浓缩作用—蒸发排泄时发生脱碳酸作用—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：SO42-→H2S↑阳离子交替吸附作用—岩土表面吸附的阳离子与水中阳离子发生交换混合作用—

2种不同类型地下水混合时发生人类活动的作用——影响越来越大CompanyLogo7.5.1溶滤作用(leaching/dissolution)1.定义：

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，地下水则补充了新的组分。2.矿物盐类与水溶液接触时，同时发生两种方向相反的作用：溶解作用与结晶作用。7.5.1溶滤作用——影响因素3.影响因素--（水岩作用）1、首先，取决于组成岩土的矿物的溶解度；2、岩土的空隙特征是影响溶滤作用的另一因素；3、水的溶解能力决定溶滤作用强度；（TDS低的水溶解能力强，TDS高的水溶解能力弱）；4、水中溶解气体CO2、O2等的含量决定某些盐类的溶解能力；5、水的流动状况是影响其溶解能力的关键因素。CompanyLogo地下水是如何保持它的溶解能力的？地下水的流动（交替）性：地下水的径流速度和交替强度（V与Q）a.停滞与流动很缓慢的地下水，溶解能力最终会降为零，溶滤作用停止。b.水如果流动速度快，水交替（更新）迅速，CO2，O2不断被补充，低TDS水不断更新，地下水保持强的溶解能力。长期、强烈溶滤作用的结果，地下水以低矿化度的难溶离子为主，HCO3—Ca水或HCO3—CaMg这是由溶滤作用的阶段性决定！在由多种盐类组成的岩石中：早期，Cl盐最易溶于水中→随水带走，岩土贫Cl盐继续作用，较易溶SO42-盐类被溶入中→随水带走，贫SO42-盐类持续（岩土中）只剩较难溶的碳酸盐类及硅酸盐。7.5.1溶滤作用——结果

分析溶滤作用及其地下水的成分特征：①要从地质历史发展的眼光（角度）来理解—它是地质历史长期作用的结果②地下水是不断运动的—溶解的组分会被带去（岩土组分变化）

前期溶滤作用—溶滤什么组分，水中获得相应组分

后期溶滤作用—长期强烈溶滤作用的结果是难溶成分的低矿化水

7.5.2浓缩作用(concentration)

定义：干旱半干旱的地区的平原与盆地的低洼处，地下水埋藏不深，蒸发成为地下水的主要排泄去路，蒸发作用只排走水分，盐分仍保留在地下水中。时间延续→

地下水溶液逐渐浓缩，TDS不断增大。随着浓度↑→

溶解度较小的盐类在水中达到饱和而相继沉淀析出，易溶盐类的离子逐渐成为主要成分。浓缩作用必须同时具备的条件：a.干旱或半干旱的气候b.有利于毛细作用的颗粒细小的松散岩土c.低平地势下地下水位埋深较浅的排泄区浓缩作用的结果：往往形成高矿化度、以易溶离子为主的地下水（Cl-—Na+为主）7.5.3脱碳酸作用(decarbonation)定义：水中CO2的溶解度随温度升高及（或）压力降低而减小。升温或降压时，一部分CO2便成为游离CO2从水中逸出。脱碳酸作用：Ca2++2HCO3-

→CO2↑+H2O+CaCO3↓Mg2++2HCO3-

→CO2↑+H2O+MgCO3↓结果：Ca2+↓Mg2+↓HCO3-↓矿化度↓7.5.4脱硫酸作用（desulphidation）还原环境中,当有机质存在时，脱硫酸细菌使SO42-还原为H2SSO42-

+2C+2H2O→H2S↑+2HCO-3结果：SO42-↓；HCO3-↑，pH↑；寻找油田的辅助标志。7.5.5阳离子交替吸附作用

(cationexchangeandadsorption)定义：粘性土颗粒表面带有负电荷，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。阳离子按吸附岩土表面能力，自大而小顺序为：H+>Fe3+>Al3+>Ca2+>Mg2+>K+>Na+

离子价愈高，离子半径愈大，水化离子半径愈小，则吸附能力愈大。H+例外阳离子交替吸附作用的影响因素：①不同的阳离子，其吸附与岩土表面的能力不同；②地下水中某种离子相对浓度增大，则该种离子的交替吸附能力增大；③阳离子交替吸附作用规模取决于岩土的吸附能力，而后者决定于岩土的比表面积，颗粒愈细，比表面积愈大，交替吸附作用的规模愈大。7.5.6混合作用（mixing）定义：成分不同的两种水汇合在一起，形成化学成分不同的地下水。混合作用分类：

化学混合——两种成分发生化学反应，形成化学类型不同的地下水物理混合——机械混合，不发生化学反应混合作用的结果：可能发生化学反应而形成化学类型完全不同的地下水。7.5.7人类活动对地下水化学成分的影响人类活动对地下水化学成分影响愈来愈大：

a.人类生活与生产活动产生的废弃物污染地下水

b.人为作用大规模地改变了地下水形成条件人类干预自然能力迅速增强7.6地下水基本成因类型及其化学特征地下水分类：水的存在形式——结合水、固态水、气态水水的埋藏条件——潜水、承压水、包气带水含水介质类型——孔隙水、裂隙水、岩溶水地下水化学成分（成因类型）——溶滤水、沉积水、内生水7.6.1溶滤水

(groundwaterofatmosphericorigin)定义：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，这种水称为溶滤水。溶滤水化学成分影响因素：岩性、气候、地貌、人类活动7.6.2沉积水（connategroundwater）定义：与沉积物大体同时生成的、由古地表水演变而成的古地下水，有时也叫封存水、埋藏水。海相淤泥沉积水与海水区别：①含盐量很高，最高可达300g/L；②硫酸根离子减少乃至消失；③钙的相对含量增大，钠的相对含量减少；④富集溴、碘，碘的含量升高尤为显著，Cl/Br变小；⑤出现硫化氢、甲烷、铵、氮；⑥pH值增高？？7.6.3内生水(endogenousgroundwater)内生水的典型化学特征至今并不完全清楚。内生水的研究迄今还很不成熟，今后水文地质学的研究领域将向地球深部层圈扩展，更加重视内生水的研究。发生在地球深部的地质作用，如火山活动、地热泉、岩浆活动和变质作用等形成和参与的水，也叫内生水。7.7地下水化学成分分析及其图示7.7.1地下水化学分析内容地下水化学成分的分析内容—是水质评价基础分为简分析和全分析，某些专门性工作进行专项分析。简分析：除物理性质（色、味、嗅、透明度、悬浮物等）主要定量分析：HCO-3、SO2-4、Cl-、Ca2+、总硬度、pH,Mg2+、K++Na+及矿化度（TDS）有时含专项分析：NO-3，NO-2

，NH4，Fe2+、Fe3+，H2S，耗氧量等CompanyLogo地下水化学成分的分析内容全分析项目较多，要求精度高，通常在简分析得基础上选择代表性水样进行全分析一般定量分析：HCO-3,SO2-4,Cl-，Ca2+,Mg2+,K+,Na+，NO-3，NO-2

，NH4，Fe2+、Fe3+

，H2S，CO2,耗氧量，总硬度，pH,及干涸残余物（TDS）；某些微量元素、有毒组分；研究水的侵蚀性时需分水的侵蚀性CO2。7.7.2地下水化学成分库尔洛夫表示式分式前：特殊成分、气体成分、矿化度M，单位(g/L)分式上下：阴、阳离子（毫克当量百分数≥10%

或称视毫摩尔百分数）分式后：水温（oC)特点是直观、表示简单也较全面，可以反映水的成因类型（常用方法）库尔洛夫式:(关于当量的概念……)7.7.3地下水化学特征分类及图示⑴水化学类型——舒卡列夫分类前苏联学者C.A.Щукалев提出来的:方式：据地下水中6种主要离子（K+合并于Na+中）及TDS划分。