水文地质学基础第六章地下水的化学成分及其形成作用课件

第六章地下水的化学成分及其形成作用6.1研究地下水化学成分的意义1.水是复杂的水溶液；2.确定地下水的起源与形成。3.各种目的利用地下水对水质有要求；4.是宝贵的液体矿产，需要查明有关组分的富集规律。5.作为找矿的标志。6.作为地下水污染程度的标志。第六章地下水的化学成分及其形成作用16.2地下水的化学特征◆元素在地下水中的含量，取决于其在地壳中的含量及其溶解度。◆元素在地下水中一般以离子、分子或气体状态存在，以离子状态为主。6.2地下水的化学特征◆元素在地下水中的含量，取决于2一、地下水中主要气体成分◆主要气体成分：

O2、N2、CO2、CH4、H2S等，以前三种为主。一、地下水中主要气体成分◆主要气体成分：3◆气体成分的意义：

1.反映了地下水所处的地球化学环境的特征.☆O2起源于大气并指示氧化环境。影响地下水中元素的迁移和化学成分的形成。☆N2的单独存在，可说明地下水起源于大气并处于还原环境.大气中（Ar＋Kr＋Xe）/N2＝0.0118。据此可用以判断地下水中N2的起源.☆H2S、CH4说明处于缺O2的还原环境。一般出现在封闭地质构造的地下水中。若浅部地下水中出现，则是受到了污染。2.增加水溶解盐类的能力，促进某些化学反应.如：CO2可促进碳酸盐类的溶解。◆气体成分的意义：4二、地下水中主要离子成分◆主要离子共7种：Cl－、SO42－、HCO3－、Na＋、K＋、Ca2＋、Mg2＋◆占主要地位离子随矿化度（含盐量）的变化：

☆低矿化水以HCO3－及Ca2＋，Mg2＋为主；

☆中等矿化水以SO42－及Na＋为主，阳离子也可以是Ca2＋；

☆高矿化水以Cl－及Na＋为主。

二、地下水中主要离子成分◆主要离子共7种：51.Cl－（高矿化水的主要阴离子)◆广泛分布于地下水中.含量变化大，由数mg/l～数百g/l。常可用来说明地下水的矿化程度。◆来源：

☆沉积岩、岩浆岩的溶解；

☆海水；

☆来自火山喷发物的溶滤；

☆人为污染。

注意：居民点附近矿化度不高的地下水中如发现Cl－含量超过一般情况，则说明已受到污染。1.Cl－（高矿化水的主要阴离子)◆广泛分布于地下水中.62.SO42－（中等矿化水主要的阴离子）◆SO42－在水中的含量受Ca2＋的限制，在还原环境中可被还原成H2S。远不如Cl－含量高。

◆来源：

☆含石膏或其它硫酸盐沉积物的溶解；

☆天然硫或硫化矿物的氧化

☆化石燃料的燃烧。◆煤系地层常含有很多黄铁矿，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以SO42－为主。2.SO42－（中等矿化水主要的阴离子）◆SO42－在73.HCO3－（低矿化水的主要阴离子）◆分布广泛，但含量一般不超过数百mg/l.除了酸性水外，所有淡水中HCO3－均可出现。◆来源：碳酸盐岩石的溶解：岩浆岩与变质岩地区，铝硅酸盐矿物的风化溶解。3.HCO3－（低矿化水的主要阴离子）◆分布广泛，但含量84.Na＋（高矿化水的主要阳离子）◆低矿化水中，Na＋含量仅数mg/l～数十mg/l；高矿化水中，Na＋含量最高可达数十g/l。◆来源：

沉积岩、岩浆岩和变质岩的溶解；海水；5.K＋

◆地下水中K＋的含量只有Na＋含量的4％～10％。

◆一般将K＋归并到Na＋中进行分析，不另区分。如Na＋（+

K＋）4.Na＋（高矿化水的主要阳离子）◆低矿化水中，96.Ca2＋（低矿化水的主要阳离子）

◆含量一般不超过数百mg/L

◆来源：

☆碳酸盐类沉积物及含石膏沉积物的溶解；

☆岩浆岩及变质岩中含钙矿物的风化溶解。

7.Mg2＋

◆化学性质及来源与Ca2＋相近，但地壳组成中Mg2＋比较少，因此含量通常较Ca2＋少。6.Ca2＋（低矿化水的主要阳离子）◆含量一般不超10三、地下水中的其它成分◆次要离子：H＋、Fe2＋、Fe3＋、Mn2＋、NH4＋、OH－、NO3－、NO2－、CO32－等；◆微量元素：Br、I、F、B、Sr等；◆胶体：如Fe(OH)3，Al(OH)3和H2SiO2等。◆有机质◆微生物三、地下水中的其它成分◆次要离子：11四、地下水主要化学性质（一）酸碱性1.表示方法：PH＝－lg[H+]PH＝7,水呈中性;PH<7,水呈酸性;PH>7,水呈碱性2.地下水按PH值分类：PH值<55～777～9>9酸碱度强酸性弱酸性中性弱碱性强碱性四、地下水主要化学性质PH值<55～777～9>9酸碱度强酸12（二）总矿化度（总含盐量、总溶解固体TDS）1.总矿化度：地下水中所含各种离子、分子及化合物的总量。以g/L表示。2.表示方法：

☆105—110℃时，将水烘干后所得的干涸残余物的总量

☆按化学分析所得的全部离子、分子及化合物量相加。（其中HCO3－含量应取一半）（二）总矿化度（总含盐量、总溶解固体TDS）1.总矿化度：地13

3.地下水按总矿化度分类：

矿化度（g/L）<11～33～1010～50>50地下水类别淡水微咸水咸水盐水卤水

3.地下水按总矿化度分类：

矿化度（g/L）<11～3314（三）硬度1.硬度：水中Ca2＋、Mg2＋含量。2.分类：

☆总硬度：水中所含Ca2＋、Mg2＋的总量。

☆暂时硬度：将水加热至沸腾后,由于形成碳酸盐沉淀而从水中析出的那一部分Ca2＋、Mg2＋的含量。

☆永久硬度：水煮沸后仍留在水中的Ca2＋、Mg2＋含量。

☆碳酸盐硬度:水中与HCO3－含量相当的Ca2＋、Mg2＋含量.

当[Ca2++Mg2+]≤[HCO3-]时,暂时硬度=总硬度.当[Ca2++Mg2+]>[HCO3-]时,暂时硬度=碳酸盐硬度.（三）硬度1.硬度：水中Ca2＋、Mg2＋含量。153.表示方法：☆毫克数（mg/L，以CaCO3计）

☆毫克当量数（meg/L）：一升水中含Ca2＋、Mg2＋的毫克当量总数。离子的当量＝离子量（原子量）/离子价

化合物的当量=化合物分子量/阴（阳）离子价

meg/L＝mg/L/离子的当量

☆德国度（H°）：相当于1L水中含10mgCa2＋或7.2mgMg2＋的量。1meg/L＝2.8H°3.表示方法：164.地下水按硬度分类：饮用水的适宜硬度一般为4.2～9meg/L，即12~25H°.地下水类型极软水软水弱硬水硬水极硬水硬度（mg/L，以CaCO3计）＜7575～150150～300300～450＞450硬度（meq/L）＜1.51.5～33～66～9＞9硬度（H°）＜4.24.2～8.48.4～16.816.8～25.2＞25.24.地下水按硬度分类：饮用水的适宜硬度一般为4.17（四）侵蚀性1.碳酸盐侵蚀

CaCO3＋H2O＋CO2Ca2＋＋2HCO3－

☆平衡CO2

☆侵蚀性CO2混凝土固结后，在其表面及内部皆形成CaCO3。当含有侵蚀性CO2的水与混凝土接触时，CaCO3将溶解，从而使混凝土结构遭到破坏。（四）侵蚀性1.碳酸盐侵蚀182.硫酸盐侵蚀（结晶性侵蚀）水中的可溶性离子（Na＋、K＋等）的硫酸盐与水泥中的Ca(OH)2及水化铝酸钙发生反应，生成石膏和钙钒石。

钙钒石：CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O

钙钒石体积约为原水化铝酸钙的2.5倍，从而引起混凝土体积显著增大，结构疏松，遭受破坏。

☆在SO42－含量高的水下建筑物中，可选用普通抗硫酸盐水泥或高抗硫酸盐水泥。2.硫酸盐侵蚀（结晶性侵蚀）193.酸性侵蚀酸性水中铁置换H＋的作用称为酸性侵蚀。

☆当PH＝6.5时，水对铁质材料即有腐蚀作用，可将水泵的使用年限缩短5％，

☆PH<4时，各种金属设备只要泡上几天或十几天就不能用了。3.酸性侵蚀206.3地下水的温度变温带常温带（多年平均气温）增温带地壳温度分布示意图6.3地下水的温度变温带常温带（多年平均气温）增温带21◆增温带

☆地温梯度r：每增加单位深度时地温的增值。一般以℃/100m为单位。

平均值约为3℃/100m。通常变化于1.5－4℃/100m之间。

☆地下水温度的推算：

☆地下水循环深度的推算：

变温带常温带（多年平均气温t）增温带hH◆增温带变温带常温带（多年平均气温t）增温带hH221.溶滤作用：

普遍发生，是主要作用。☆影响溶滤作用强度的因素：

①组成岩土的矿物盐类的溶解度。②岩土的空隙特征。③水的溶解能力。低矿化水溶滤作用强.④水中CO2、O2等气体成分的含量。⑤水的流动状况。6.4地下水化学成分的形成作用1.溶滤作用：6.4地下水化学成分的形成作用23◆溶滤作用与纯化学的溶解作用：不同

溶滤作用是一种与一定的自然地理与地质环境相联系的历史过程。一个地区经受溶滤愈强烈，时间愈长久，地下水的矿化度愈低，愈是以难溶离子为其主要成分。◆溶滤作用与纯化学的溶解作用：不同242.浓缩作用

◆其结果表现为：

①水的矿化度增高；②改变地下水的化学类型。◆通常浓缩作用的影响深度不大，主要是通过毛细作用上升到地表而发生的。在十分干旱的气候条件下，埋深达数十米的潜水产生的浓缩作用，主要是汽态的水分子从深部不断上逸而形成的，其蒸发强度是极微弱的。2.浓缩作用253.脱碳酸作用

◆定义：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。

◆发生在温度或压力突变的地方。如深部地下水上升形成的泉，往往在泉口形成钙华；在喀斯特地区溶洞内见到的石钟乳、石笋、石柱等现象，都是由于脱碳酸作用的结果。3.脱碳酸作用264.脱硫酸作用：SO42－＋2C＋2H2OH2S＋2HCO3－

封闭的地质构造，如储油构造，是形成脱硫酸作用的有利环境。油田水中SO42－的含量极少甚至没有，而H2S气体含量却很高。4.脱硫酸作用：275.阳离子交替吸附作用◆离子吸附能力取决于：①离子价、离子半径。离子价越高，离子半径越大，则吸附能力愈大。H＋例外。H＋>Fe3+>Al3+>Ca2+>Mg2+>K+>Na+。②离子的浓度浓度大的离子较浓度小的离子易被吸附。◆交替吸附作用的规模

比表面积（表面积/体积）愈大，交替吸附作用的规模也就愈大。5.阳离子交替吸附作用286.混合作用

☆化学混合☆物理混合7.人类活动对地下水化学成分的影响◆消极：

☆人类的工农业生产及日常生活使地下水污染。

☆

滨海地区过量开采，引起海水入侵；

☆不合理开采使咸水进入淡含水层；

☆

不合理灌溉，造成土地盐渍化。◆积极：

如：兴修水利、修筑渠道，改善地下水质。6.混合作用296.5地下水化学成分的基本成因类型

从形成地下水化学成分的基本成因出发，可将地下水分为三个主要成因类型：◆溶滤水

富含CO2、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。称溶滤水。其成分受岩性、气候、地貌等因素影响。◆沉积水

与沉积物大体同时生成的古地下水。其化学成分主要来源于形成沉积物的水体。◆内生水

源自地球深部层圈的水。6.5地下水化学成分的基本成因类型从形成30◆简分析：一般用于地下水普查阶段。以了解区域地下水化学成分的概貌。☆分析特点：项目少，精度要求低，但要求快而及时。☆分析项目：物理性质定量分析：HCO3－、SO42－、Cl－、Ca2＋、总硬度、PH值。通过计算可求得水中各主要离子含量及总矿化度。定性分析：项目则不固定，较经常的有NO3－、NO2－、NH4＋、Fe3＋、H2S、耗氧量等。6.6地下水化学成分分析与资料整理◆简分析：一般用于地下水普查阶段。以了解区域地31◆全分析：在简分析的基础上选择有代表性的水样进行全分析。以较全面地了解地下水化学成分。☆特点：分析项目较多，要求精度高，并非是将水中的全部成分都加以分析。而是简分析的补充和提高。☆分析项目：HCO3－、SO42－、Cl－、CO32－、NO2－、NO3－、Ca2＋、Mg2＋、K＋、Na＋、NH4＋、Fe2＋、Fe3＋、H2S、CO2、耗氧量、PH值及干涸残余物。◆全分析：在简分析的基础上选择有代表性的水样进行全分析。以较32◆专项分析：

只分析一个或少数几个成分，分析项目根据具体任务确定。如：在对地下水质作动态观测时，可只选有代表性的离子作定期分析；为判明含水层之间是否有联系时，只需要作个别离子的分析；在为寻找饮用水源进行地下水调查时，需进行水中有毒成分如As（砷）、Pb（铅）、F（氟）等项目的分析。◆专项分析：33三、水化学分析资料整理(一)各种离子浓度单位的换算：◆离子毫克数表示法：mg/l◆离子毫克当量表示法：meq/L◆离子毫克当量百分数meq%：

某阴（阳）离子meq%＝

三、水化学分析资料整理(一)各种离子浓度单位的换算：34（二）水化学分析结果误差检验e=（∑k—∑a）\(∑k+∑a)×100%式中：∑k—阴离子总含量(meq%);∑a—阳离子总含量(meq%)。一般要求：全分析e<2%,简分析e<5%,否则结果不能采用。（二）水化学分析结果误差检验e=（∑k35(三）水化学成分的库尔洛夫式表示方法特殊成分·气体成分·总矿化度(M)

1.凡是meg％＞10％的离子均列入分式。按由大到小的次序在分子的位置上排列阴离子，分母位置上排列阳离子