5第五章地下水化

1、第五章 地下水的化学成分及其形成作用,本章内容： 地下水的化学成分 地下水的主要物理、化学性质 地下水化学成分的形成作用 地下水化学成分的基本成因类型 地下水化学成分的分析内容、资料整理与分类图示 地下水的水质评价,概 述,地下水成分复杂 来源（补给成分复杂） 下渗过程中与周围岩土产生溶滤作用（岩土成分复杂） 研究地下水化学成分的意义： 阐明地下水的起源、形成与分布规律； 阐明成矿机制，完善与丰富找矿理论 ； 地下水质量评价。,研究学科 水文地球化学：研究地下水中化学元素迁移、集聚和分布规律的科学。 研究重点：地下水水质变化。 研究地下水化学成分应注意的问题： 离不开地下水动力学的研究 要从与

2、周围环境长期作用的观点出发,第1节 地下水的化学成分,组成地壳的87种主要元素，地下水中已发现70余种。分别以气体、离子、胶体物质、有机质以及微生物等形式存在于地下水中。 一、主要的气体成分 常见的有O2、 N2、CO2、CH4 及 H2S 氧（O2）、氮（N2） 来源： O2 主要来源于大气； N2 三个来源：大气、生物成因、变质成因。,氧（O2）、氮（N2） 来源： O2 主要来源于大气； N2 三个来源：大气、生物成因、变质成因。,二氧化碳（CO2） 来源： 大气：但含量较低，工业化城区含量高 生物：土壤有机质残骸的发酵作用与植物的呼吸作用 变质成因：地球深部高温高压下变质生成 人为CO

3、2 ：工业发展造成（温室效应） 作用: 地下水中CO2越多，其溶解碳酸盐岩和对结晶岩进行风化作用的能力越强。,硫化氢（H2S）、甲烷（CH4） H2S来源： 硫酸盐还原： 硫化矿物分解： 火山喷发。 H2S和CH4的存在表明还原环境 。 H2S一般出现在深层地下水中，油田水中含量很高，常以此作为寻找石油的间接标志。,二、主要离子成分 主要离子成分七种：,形成以上主要离子成分的原因：, 地壳中含量较高，且易溶于水的；, 地壳中含量不高，但极易溶于水的； 地壳中含量很高，但难溶于水的，地下水中含量不高,主要离子成分与矿化度之间的对应关系：, 低矿化度： HCO3-、 Ca2+、Mg2+, 中矿化度

4、： SO42-、 Na+、 Ca2+, 高矿化度： Cl-、 Na+,溶解度：氯盐 硫酸盐 碳酸盐； Ca2+、 Na+ Ca2+、Mg2+,1、氯离子( ) （1）特点： 地下水中分布最广的离子，每升水中由数毫克至数百克不等。 在高矿化度水中， 常占优势。 不被植物吸收、不被土壤颗粒吸附、不易沉淀，最稳定，是水中含盐量多寡的标志。,（2）来源：,A、含岩盐的沉积岩或氯化物溶解；,B、含氯化物的岩浆岩风化溶解,C、海水补给；,D、火山喷发物的溶滤产物；,E、人为污染,2、硫酸根离子,在地下水阴离子总含量中仅次于 。 其含量变化范围由小于1毫克至数克不等。 中等矿化度的水中含量高。,（2）来源：

5、,A、主要为石膏及其它含硫酸盐的沉积物。 B、天然硫和硫化物矿物的氧化作用也可以给地下水带来SO42-， 如： 2S十3O2十2H2O 4H+十2SO42-,2FeS2十7O2十2H2O 2FeSO4十4H+十2SO42-,C、煤系地层（含黄铁矿）,D、化石燃料，产生大量SO2，形成“酸雨”渗入地下。,（1）特点：,3、重碳酸根离子,（1）特点：,地下水中含量一般不超过1gL，因为 主要来源于碳酸盐类 岩石，而它的溶解度很小，只有当地下水中存在CO2时才较易溶于 水。通常以 为主要成分的地下水含盐量都不高，是淡水的特征。,（2）来源：,A、在水中有一定量的CO2存在时，碳酸盐溶解。,CaO3+

6、H2O+CO2 2HCO3-+Ca2,MgO3+H2O+CO2 2HCO3-+Mg2,B、铝硅酸盐风化溶解。 Na2Al2Si6O16十3H2O十2CO2 2HCO3-H4A12Si2O9十2CO3-十4SiO22Na+,CaO2Al2O34SiO2+2CO2 +5H2O 2HCO3-+Ca2+2H4Al2Si2O3,4、 钠离子(Na+),地下水中分布最广泛的阳离子，其含量可由每升数毫克至数十克 甚至一百克以上。是高矿化度水中主要阳离子。,（1）特点：,（2）来源：,A、地下水溶解岩盐及其它的钠盐；,B、海水或古海水的残余；,C、火成岩与变质岩中某些含钠矿物的风化溶解。,2NaAlSi3O8

7、十2H2O十CO2 4H4A12Si2O9十Na2CO3十4SiO2,Na2CO3十H2O 2Na十HCO3-十OH-,所以，在酸性火山岩地区可以形成HCO3-Na+型水。,5、钾离子(K+),（1）特点：,钾离子(K+)的来源与Na+相似。在低矿化度中甚微， 而在高矿化度中多。,虽然地壳中钾的含量高，且钾盐的溶解度也很大，但是因为 K+容易被粘土吸附，被植物吸收，同时参与形成难溶于水的 次生矿物，所以在地下水中含量不如Na+大。,由于K+、 Na+性质相近， K+含量低，在地下水分析中， 两者合并计算。,（2）来源：,A、钾盐沉积岩的溶解；,B、岩浆岩、变质岩的钾岩矿物风化溶解。,6、钙离子

8、(Ca2+),（1）特点：,Ca2+在地下水中分布广，一般含量低。很少超过lg/L。 因为Ca2+主要来源于地下水溶解碳酸盐类岩石，而这类岩石的溶解度很低。 Ca2+的随着含盐量的增高， 相对含量很快减少。 由于CaCl2 的溶解度相当大，所以矿化度格外高时， Ca2+可以是主要阳离子。,（1）特点：,（2）来源：,A、碳酸盐的沉积物，膏盐沉积物；,B、岩浆岩、变质岩中含钙矿物的风化溶解。,CaO2Al2O34SiO2+2CO2 +5H2O 2HCO3-+Ca2+2H4Al2Si2O3,7、镁离子(Mg2+),(1)特点：,地下水中分布广，含量低，通常不作为地下水的主要离子。 溶解度比Ca2+

9、高，但含量比Ca2+低，这是因为地壳组成中Mg比Ca少、 Mg2+容易被植物吸收、同时参与次生矿物的组成。 在富含铁镁矿物的超基性岩石发育地区，可以见到含Mg2+高的地下水。,(1)特点：,(2)来源:,A、含镁的碳酸盐类沉积岩,B、基性岩浆岩、变质岩中含镁矿物的风化溶解的风化产物。,三、地下水中的其它成分,1、次要离子：如 H、Fe2+、Fe3+、Mn2+、NH4、OH-、N02-、NO3- 、CO32-、SiO32-及P043-等。,2、微量组分：Br、I、F、B、Sr等。,3、胶体：Fe(OH)3、A1(OH)3，及H2SiO3等。 4、有机质: 常以胶体方式存在于地下水中，常使地下水酸

10、度增加， 并有利于还原作用。 5、微生物：在氧化环境中存在硫细菌、铁细菌等；在还原环境中存 在脱硫酸细菌等；此外，在污染水中，还有各种致病细菌。,第二节 地下水的主要物理、化学性质,一、主要的物理性质有： 色(color)、嗅(smell)、味(taste)、温度(temperature)、 透明度(diaphaneity, transparency)、比重(specific weight)、 导电性(conductance)、 放射性(radioactivity),二、主要的化学性质有：,总溶解固体、硬度、酸碱性 。,两者关系：物理性质往往是化学性质的外在表现。,1. 地下水的颜色,2. 地

11、下水的气味（嗅）,地下水一般无气味，若含有H2S气体，水有臭鸡蛋气味；含 Fe2+的水有铁锈味即“墨水味”；含腐殖质，有腐草味或淤泥臭味。 水中气味强弱与水温有关，常温时不显，若将水加热到 4060时，气味显著。,3. 地下水的味道,地下水所含的盐类及引起味觉的最低含量,注：味道的强弱取决于地下水的温度，常温时不显，若将水加热到2030时，味道显著。,4. 地下水的透明度,测量方法：用筒底装有放水嘴的量筒，量筒高100cm， 直径3cm，将3mm粗的黑十字线放在量筒底部，注满水 后，慢慢打开放水嘴，筒内水面缓缓下降，同时观测黑 十字线，直到能看到黑十字线的清晰图像为止，记录量 筒内水柱高度。,

12、按下表（水的透明度分级表）确定水的透明度：,5. 地下水的比重,取决于水中溶解盐类的数量。溶解的盐类越多，地下水的比重 越大。一般地下水的比重接近于1。利用地下水的比重特征可 以判别盐湖中盐类的沉积层位，便于分层位开采。,6. 导电性,取决于水中溶解的电解质的数量和性质，即取决于各种离子 的含量和离子价。离子含量越多，价数越高，则水的导电性 越强。此外，温度也影响导电性。,导电性用导电率表示，单位：-1cm-1。导电率为电阻率 的倒数。淡水的电阻率为n10-1 n10-3，咸水的电阻 率比淡水的电阻率小，故可根据电阻率或导电率的不同，确 定滨海地区咸水和淡水分界面及其分布范围。,7. 水的 放

13、射性,取决于水中放射性物质的含量，大多数地下水都具有放射性， 但其含量微弱。放射性矿床与酸性火成岩地区的地下水具有 较高的放射性。利用水中放射性突然增强可以寻找放射性矿藏。,8. 温度,水交替缓慢时温度与地温一致，并取决于太阳辐射热能、 地球内部热流。,地壳按热力状态从上而下分为变温带、常温带和增温带。 变温带：受太阳辐射热能影响，呈昼夜变化与季节变化。昼夜变化 只影响地表以下12m深度。变温带的下限为1530m。 常温带：是变温带以下一个极簿的地带。地温一般比当地年平均 气温高出12，粗略计算时可视为当地的年平均气温。 增温带：受地球内部热流控制。随深度增加而温度升高。用地温梯度或地温增温率

14、表示。,地温梯度（r）：每增加100m深度时地温的增值（/100m）,增温带内某深度（H）地温（T）的计算：,T = t + (H - h) r,t为年平均气温；h为常温带深度；r为地温梯度。,或已知T，推求地下水循环的深度H：,H = (T-t)/r + h 地温梯度的平均值为3/100m， 范围1.54/100m。不同地区由于岩石的导热性、 地壳运动和水文地质条件的不同，地温梯度有所变化。 羊八井300/100m。,9.总溶解固体（TDS）（矿化度）,地下水中所含种离子、分子与化合物的总量。(g/L） （Total Dissolved SolidsTDS）。习惯上以105 110时 将水干

15、所得的涸残余物总量。,因此： 计算时挥发性成分不计入；, HCO3-只取重量的半数 。,地下水按TDS的分类表,10.硬 度,概念：水中Ca2+、Mg2+的总含量。（meq/L）,目前新的国标中以CaCO3含量（mg/L）表示。,分类：,总硬度：水中Ca2+、Mg2+的总含量 。 暂时硬度：水煮沸时（脱碳酸作用），因形成碳酸盐沉淀 而失去的一部分Ca2+、Mg2+含量 。,永久硬度：水煮沸后仍留在水中的Ca2+、Mg2+含量,计算 ：,rCa2+Mg2+ rHCO3-时，,暂时硬度 = rHCO3-,永久硬度 = rCa2+Mg2+- rHCO3-,rCa2+Mg2+ rHCO3-时，,总硬度

16、 = 暂时硬度 = rCa2+Mg2+,永久硬度 = 0,地下水按硬度分类,11.酸碱度,用氢离子浓度即pH值衡量, 即： pH-lg H+ 地下水的pH值小于4时，对金属有剧烈腐蚀作用， 矿井酸性水强烈腐蚀井下排水设备和管道，并污染环境。,地下水按酸碱度分类,第二节 地下水化学成分的形成作用,一、地下水起源化学成分的特点,地下水的化学成分继承补给源的化学成分。 1、起源于大气降水或凝结水：补给区附近为矿化度低淡水， 富含O2、N2、CO2及Ar等气体。 2、来源地表水: 近河湖区富含HCO3- 、SO42-；近海岸富含Cl-、Na+ 。,3、近海岸降水: Cl-、Na+含量高。 4、古沉积盆

17、地的地下水: 矿化度很高，主要离子为Cl-、Na+， 并含有较多的Br、I 等微量元素，具有古海水的特征，H2S含量高。,二、地下水化学成分的形成作用,各种不同来源的地下水，在后期循环过程中，不断与与周围的介 质相互作用，化学成分不断变化，结果与原始的化学成分具有很大的区别。,作用类型： 溶滤作用、浓缩作用、脱碳酸作用、脱硫酸作用、阳离子交替吸附作用 、混合作用。,（一）、溶滤作用,概念：在水与岩土相互作用下，岩土中一部分物质转入地下水中的过程。,结果：岩石失去一部分可溶物质，地下水补充了新的组分。,溶滤作用具有时间上的阶段性和空间上的差异性。 一个地区经受的 溶滤作用愈强烈，地下水的矿化度愈

18、低，愈是以难溶离子为主要成分。,溶滤作用的影响因素： 组成岩土的矿物盐类的溶解度。盐岩NaCl易溶，Si02难溶解；,岩土的空隙特征。致密基岩，水与矿物难以接触，难溶滤；,水的溶解能力。低矿化水的强，高矿化水的弱 水中CO2、O2等气体成分的含量。前者易溶碳酸盐、硅酸盐， 后者易溶硫化物；,地下水的径流与交替强度。最关键的因素。,（二）、浓缩作用,概念：地下水受到蒸发失去水分或流动将溶解物质带到 排泄区而使地下水中盐分浓缩的过程。,条件：, 干旱或半干旱的气候； 低平地势控制下较浅的地下水位埋深，有利于毛细 作用的颗粒细小的松散岩土；, 集中排泄的地带。,特点： 不仅使地下水的矿化度提高，也使

19、水的化学（成分）类型发生改变。,图6-1 地下水流与矿化度关系,（三）、脱碳酸作用,概念：水中CO2的溶解度受环境的温度和压力控制。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。,结果：,地下水中HCO3-及Ca2+、Mg2+减少，矿化度降低 ；,Ca2+ 2HCO3-CO2+ H2O+ CaCO3,Mg2+2HCO3-CO2+ H2O+ MgCO3,应用：深部地下水上升成泉，泉口往往形成钙华。,（四）、脱硫酸作用,概念：在还原环境中，当有机质存在时，脱硫酸细菌能 使SO42-还原为H2S，这就是脱硫酸作用 。在岩石含有 有机物质的情况

20、下，碳氢化合物也可使硫酸盐还原。,SO42-+2C+2 H2OH2S+2HCO3-,结果：,水中SO42-减少以至消失，HCO3-增加，PH值变大。 应用：封闭的地质构造，如储油构造，是产生脱硫酸作用 的有利环境。因此，某些油田中出现H2S，而SO42-含量很低。 这一特征可以作为寻找油田的辅助标志。,（五）、阳离子交替吸附作用,概念：一定条件下，颗粒将吸附地下水中的某些阳离子， 而将原来吸附的部分阳离子转为地下水中的组分，即为 阳离子交替吸附作用。,影响因素：,岩土颗粒的比表面积 ；,阳离子吸附于颗粒表面的能力：,H+Fe3+Al3+Ca2+Mg2+K+Na+,地下水中某种离子的相对浓度:

21、如, 海水入侵陆相，Na+浓度大，可以替代吸附在颗粒表面的Ca2+。,（六）、混合作用,概念： 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，便是混合作用。 应用：在滨海地区，地下水往往是海水与大气降水渗入补给 混合作用的产物； 多层含水层结构的地下水，不同层地下水之间的补给 也可发生混合作用。,CaCl2Na2SO4 CaSO4 +2NaCl 说明：对于不同成分的地下水，混合后是否发生混合作用， 取决于两者的化学成分与矿化度。,小结：影响地下水化学成分形成的因素,三大类：, 自然地理因素（气候、水文、地形、植物） 这些因素的错综组合决定着地下水化学成分形成的方向及其分

22、布规律。,气候：潮湿地区降雨量大，地下水矿化度常较低;,干旱的沙漠、半沙漠地区蒸发强，矿化度高。 地形：高山地区地形切割强烈，地下水循环交替快，矿化度低； 平原地区地下水流动慢，矿化度高。,水文因素： 反映在地表水与地下水的补排关系上。, 地质因素（岩性、地质构造等）,岩性：可溶成分溶于水，使水中富含这些可溶成分；,难溶成分通过风化溶解进入水中，对地下水成分产生影响。 地质构造： 隆起构造地区，溶滤作用为主，形成低矿化水；,封闭的向斜构造地区发生浓缩作用使矿化度增高, 人为因素,废弃物污染地下水： 工业生产的废气、废水与废渣以及农业上大量使用化肥农药， 使天然地下水富集了原来含量很低的有害元素

23、，如酚、氰、 汞、砷、铬、亚硝酸等。,改变地下水形成条件： 滨海地区过量开采地下水引起海水入侵，淡含水层变咸。 干旱半干旱地区不合理地引入地表水灌溉，会使浅层地 下水位上升，引起大面积次生盐渍化，导致浅层地下 水变咸。, 人为因素,第四节 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 三个类型：溶滤水、沉积水和内生水。,一、溶滤水 概念：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。,影响溶滤水化学成分的因素：,岩性：,含盐地层沉积区：地下水富含Cl-、Na+；,石灰岩、白云岩区：富含HCO3-、Ca2+和

24、Mg2+；,石膏、天青石区：SO42-、Ca2+、Sr2+；,酸性岩浆岩区：地下水大都为HCO3Na型水；,基性岩浆岩区：地下水中常富含Mg2+；,煤系地层区与金属矿床区：酸性较强的硫酸盐水。 注：并不是地下水流经什么岩土，必定具有何种化学成分， 因为岩土的各种组分其迁移能力各不相同，还受气候、 地貌等其他因素影响。,气候,潮湿气候区，经长期淋滤作用，易溶盐类(NaCl、CaSO4) 充分溶滤，最后地下水主要是难以迁移的组分(CaCO3、 MgCO3、SiO2)。因此，在潮湿气候区，其浅层地下水 最终很可能都是低矿化重碳酸水，难溶的SiO2在水中占到 相当比重。 干旱气候区盆地，水分不断蒸发，

25、盐分不断积累于浅部， 最终都将形成高矿化的氯化物水。 注：气候决定大区域范围内水质成分的变化；岩性和地形 决定局部区域水质的变化。,地形：,往往会干扰气候控制的分带性：,切割强烈的山区，局部流动系统发育，水交替迅速， 即使在干旱地区也不发生浓缩作用，从而形成低矿 化的以难溶离子为主的地下水。,地势低平的平原与盆地，水交替缓慢，地下水矿化度 与含易溶离子均较高。,构造与水动力条件,绝大多数地下水属于溶滤水，包括潜水和承压水。 位置较浅或构造开启性好的含水系统，由于其径流途径短， 流动相对较快，溶滤作用发育，多形成低矿化的重碳酸盐水。 构造较为封闭的，位置较深的含水系统，则形成矿化度较高， 易溶离

26、子为主的地下水。 同一含水系统的不同部位，由于径流条件与流程长短不同， 水交替程度不同，从而出现水平的或垂向的水化学分带。,二、沉积水,概念：指与沉积物大体同时生成的古地下水。,沉积水一般埋藏于封闭的地质构造内，故又称埋藏水。,分类：同生沉积水和后生沉积水。,同生沉积水：与岩层同时沉积形成，且保留于其中的水。,后生沉积水：成岩以后由于邻近岩层挤压而来的水。,海相沉积作用水的化学成分与海水成分基本相似，,海水成分：,存在有机质时，海相沉积作用水化学成分的演化：, M很高，最高可达300g/L；（蒸发浓缩作用）, SO42-减少乃至消失；（脱硫酸作用）, 钙的相对含量增大，钠的相对含量减小， 脱硫

27、酸作用引起HCO3-增加，形成CaCO3，水中Ca2+减少，打破了阳离子 交替吸附平衡；水中Ca2+减少，阳离子交替吸附作用，颗粒表面吸附的 Ca2+进入水中，Na+吸附到颗粒表面， Na+减少。, 溴、碘的含量升高， 变小；（生物遗骸分解） 出现H2S （脱硫酸作用） 、CH4、NH4+ （细胞蛋白质分解）、 N2（去硝化作用）；, pH值增高。（脱硫酸作用）,三、内生水,概念：参与地壳深部地质作用的地下水。 火山喷发作用、岩浆作用和变质作用等均有水参与， 来自地幔高温高压的岩浆直接分异出来的水。,内生水包括：,初生水，即含在熔融岩浆中的水； 再生水，即地壳深部高温高压条件下，岩石所含结 合水和矿物水转变为液态或气态水。,迄今研究还很不成熟。,第五节 地下水化学资料整理与分析,一、地下水化学成分的分析 根据研究地下水化学成分目的不同，分析的内容和精度也 不一样。按照不同的目的和要求，地下水化学成分的分折可 分为三种类型，即：简分析、全分析和专项分析,1、简分析,特点：分析项目少，精度要求低，简便快速，成本不高。,目的：了解区域水质、水化学的概貌以及水质是否适于饮用 。,分析内容： 物理性质；, 定量分析： 和硬度, 定性分析： 耗氧量等,2、全分析,特点：分析项目较多，但并非分析水中的全部组分，要求精度高。 通常在简分析的基础