地下水的物理性質、化學成分及其形成作用

1、v概述概述v地下水的物理性質地下水的物理性質v地下水的化學成份地下水的化學成份1 概述地下水是種復雜的溶液地下水是種復雜的溶液v 賦存于賦存于巖石圈巖石圈中中, ,不斷與巖土發(fā)生化學反應不斷與巖土發(fā)生化學反應; ;v 與與大氣圈大氣圈、水圈水圈和和生物圈生物圈進行水量和化學成分的交換。進行水量和化學成分的交換。v 人類活動人類活動的影響改變了地下水的化學面貌。的影響改變了地下水的化學面貌。 地下水的化學成分是地下水與環(huán)境（地理、地地下水的化學成分是地下水與環(huán)境（地理、地質、人類活動）質、人類活動）長期相互作用的產物。某區(qū)地下水的長期相互作用的產物。某區(qū)地下水的化學面貌化學面貌, ,反映該區(qū)地下

2、水的歷史演變。反映該區(qū)地下水的歷史演變。 v 研究特征：不能從純化學角度研究特征：不能從純化學角度, ,孤立、靜止地研究地下孤立、靜止地研究地下水的化學成分及其形成水的化學成分及其形成, ,必須從水與環(huán)境長期相互作用必須從水與環(huán)境長期相互作用的角度的角度, ,去揭示地下水化學演變的內在依據與規(guī)律。因去揭示地下水化學演變的內在依據與規(guī)律。因為為地下水水質的演變具有時間上繼承的特點：地下水水質的演變具有時間上繼承的特點： 自然地理自然地理與與地質發(fā)展歷史地質發(fā)展歷史給予地下水的化學面貌以給予地下水的化學面貌以深刻影響。深刻影響。v地下水化學成分對于用于各種地下水利用地下水化學成分對于用于各種地下水

3、利用目的，水質評價都具有重要意義。目的，水質評價都具有重要意義。 飲用水水質評價飲用水水質評價 工業(yè)用水水質評價工業(yè)用水水質評價 農業(yè)用水水質評價農業(yè)用水水質評價 工程建設項目用水水質評價工程建設項目用水水質評價 地下水的物理性質包括地下水的物理性質包括水溫水溫、顏色、透明度、味道、氣味、比顏色、透明度、味道、氣味、比重重、放射性、導電性放射性、導電性。它在一定程度上反映了地下水的化學成分及其。它在一定程度上反映了地下水的化學成分及其存在的環(huán)境條件。存在的環(huán)境條件。一、地下水的溫度一、地下水的溫度 水溫變化范圍水溫變化范圍-5以下以下100以上。在寒帶和多年積雪地帶，淺層的以上。在寒帶和多年積

4、雪地帶，淺層的地下水溫可低達地下水溫可低達-5以下；在溫帶和亞熱帶的平原、丘陵區(qū)淺層地下水的年以下；在溫帶和亞熱帶的平原、丘陵區(qū)淺層地下水的年平均溫度一般接近于當?shù)啬昶骄鶜鉁?；在火山活動地區(qū)及地殼深處，地下水的平均溫度一般接近于當?shù)啬昶骄鶜鉁?；在火山活動地區(qū)及地殼深處，地下水的溫度很高，可超過溫度很高，可超過100。如我國廣東豐良地區(qū)在地下。如我國廣東豐良地區(qū)在地下800m深處，打出了深處，打出了103.5的熱水。的熱水。 地下水的溫度主要受當?shù)氐叵滤臏囟戎饕墚數(shù)貧鉁?、氣溫、地溫地溫變化的變化的影響，尤其是地溫影響，尤其是地?。要研究地下水的溫度，首先要研究地溫的變化規(guī)律。要研究地下水的

5、溫度，首先要研究地溫的變化規(guī)律。 地殼表層有兩個熱能來源地殼表層有兩個熱能來源: :v 太陽的輻射；太陽的輻射；v 地球內部的熱流地球內部的熱流。根據受熱源影響的情況根據受熱源影響的情況, ,地殼表層溫度可分三帶：地殼表層溫度可分三帶：v 變溫帶變溫帶受太陽輻射影響的地表極薄的溫度變化帶。受太陽輻射影響的地表極薄的溫度變化帶。v 常溫帶常溫帶變溫帶以下一個厚度極小的常溫帶變溫帶以下一個厚度極小的常溫帶v 增溫帶增溫帶常溫帶以下常溫帶以下, ,地溫受地球內熱影響帶地溫受地球內熱影響帶 v處于受太陽輻射影響的地表極薄的帶。處于受太陽輻射影響的地表極薄的帶。v由于由于太陽輻射能的周期變化太陽輻射能的

6、周期變化, ,本帶呈現(xiàn)本帶呈現(xiàn)地溫的地溫的晝夜變化晝夜變化和和季節(jié)變化季節(jié)變化。v地溫晝夜變化地溫晝夜變化影響地表以下影響地表以下1-2m1-2m深深。年變化。年變化影響影響深度一般為深度一般為15-30m15-30m。變溫帶特征：變溫帶特征：v 處于變溫帶以下一個厚度極小的地帶。地溫的年變化幅度處于變溫帶以下一個厚度極小的地帶。地溫的年變化幅度0.10.1的的地帶。地帶。 v 地溫一般比當?shù)啬昶骄鶜鉁氐販匾话惚犬數(shù)啬昶骄鶜鉁馗叱龈叱? 1一一22，可將當?shù)氐亩嗄昶骄鶜鉁?，可將當?shù)氐亩嗄昶骄鶜鉁刈鳛槌貛У販亍Ｗ鳛槌貛У販?。增溫帶：增溫帶：v 常溫帶以下常溫帶以下, ,地溫受地球內熱影響，隨

7、深度加大而有規(guī)律地升高地溫受地球內熱影響，隨深度加大而有規(guī)律地升高增溫帶。增溫帶。 深度每增加深度每增加100m溫度增加的值稱地熱增溫率溫度增加的值稱地熱增溫率（地溫梯度，（地溫梯度，單位：單位：/100m），），溫度每增加一度深度增加的值稱溫度每增加一度深度增加的值稱地熱增溫級。地熱增溫級。 各地增溫級不同，各地增溫級不同， 華北：華北：33-43m；北方山區(qū)：；北方山區(qū)：50m；古老結晶巖區(qū)：；古老結晶巖區(qū)：1000m；近火山區(qū)：近火山區(qū)：1m；一般山區(qū)：；一般山區(qū)：33m，由于變化不大，故地下水，由于變化不大，故地下水“冬冬暖夏涼暖夏涼”。常溫、增溫帶的特征：常溫、增溫帶的特征：地下水地

8、下水的溫度受其賦存與循環(huán)所處的的溫度受其賦存與循環(huán)所處的地溫地溫控制：控制：v 變溫帶變溫帶中淺埋地下水顯示中淺埋地下水顯示微小的水溫季節(jié)變化微小的水溫季節(jié)變化。v 常溫帶常溫帶地下水溫與地下水溫與當?shù)啬昶骄鶜鉁禺數(shù)啬昶骄鶜鉁睾芙咏?。很接近? (地溫年變化幅度小于地溫年變化幅度小于0.10.1) )v 增溫帶增溫帶地下水隨其賦存與循環(huán)深度的加大而地下水隨其賦存與循環(huán)深度的加大而提高提高, ,成為熱水甚至蒸汽。成為熱水甚至蒸汽。v 利用年平均氣溫利用年平均氣溫t t、年常溫帶深度、年常溫帶深度h h、地溫梯度、地溫梯度r r，可計算某一深度，可計算某一深度H H的的地下水水溫地下水水溫T T。

9、 T=T=t+(H-h)rt+(H-h)r 同樣，利用地下水水溫，可以推算地下水的大致同樣，利用地下水水溫，可以推算地下水的大致循環(huán)深度循環(huán)深度H（P54公公式）。式）。地下水溫度的分類地下水溫度的分類水溫水溫（）00-2020-4242-100100地下水類型地下水類型過冷水過冷水冷水冷水溫水溫水熱水熱水過熱水過熱水 地下水的溫度對地下水的化學成分有很大影響。水溫增高，化學地下水的溫度對地下水的化學成分有很大影響。水溫增高，化學反應速度和溶解度也增高。如水溫增高反應速度和溶解度也增高。如水溫增高10時，水分子的擴散速度時，水分子的擴散速度約增加約增加20，化學反應速度增加，化學反應速度增加2

10、3倍。一般鹽類在水中的溶解度倍。一般鹽類在水中的溶解度隨溫度的增高而增大。隨溫度的增高而增大。 冷水適合于作冷卻機器和空調降溫的水源，而熱水是廉價的能源，冷水適合于作冷卻機器和空調降溫的水源，而熱水是廉價的能源，可用以取暖、發(fā)電和醫(yī)療。可用以取暖、發(fā)電和醫(yī)療。 一般地下水都是無色、無味、無氣味、透明、含鹽量低的液體，當含有過量一般地下水都是無色、無味、無氣味、透明、含鹽量低的液體，當含有過量的某些離子成分或懸浮物和膠體物質時，就會出現(xiàn)各種顏色和氣味的某些離子成分或懸浮物和膠體物質時，就會出現(xiàn)各種顏色和氣味 。如：。如：二、顏色、氣味二、顏色、氣味水中含有成分水中含有成分呈現(xiàn)色澤呈現(xiàn)色澤氣味氣味

11、H2S翠綠色翠綠色臭雞蛋氣味臭雞蛋氣味含低鐵含低鐵Fe2+淺綠灰色淺綠灰色鐵腥味鐵腥味含高鐵含高鐵Fe3+黃褐色或銹色黃褐色或銹色鐵腥味鐵腥味硫細菌硫細菌紅色紅色錳的化合物錳的化合物暗紅色暗紅色腐植酸腐植酸暗或黑黃色帶熒光暗或黑黃色帶熒光魚腥味魚腥味粘土粘土無熒光的淡黃色無熒光的淡黃色懸浮物懸浮物懸浮物本身的顏色懸浮物本身的顏色“氣味氣味”的強弱與溫的強弱與溫度有關，鑒別氣味時，度有關，鑒別氣味時，一般將水加熱至一般將水加熱至40，這時氣味最為顯著。這時氣味最為顯著。低溫時氣味不易嗅別低溫時氣味不易嗅別 純水是淡而無味的，水味來源于其中的鹽分及氣體：純水是淡而無味的，水味來源于其中的鹽分及氣體

12、：v 如地下水中含有重碳酸鈣、重碳酸鎂及碳酸時，水味便爽快、適口，如地下水中含有重碳酸鈣、重碳酸鎂及碳酸時，水味便爽快、適口，人們稱這種水為人們稱這種水為“甜水甜水”v 如含氯化物會使水發(fā)如含氯化物會使水發(fā)咸味咸味v 含硫酸鈉、硫酸鎂使水含硫酸鈉、硫酸鎂使水變苦變苦，而且常引起飲用者嘔吐、腹痛和腹瀉，而且常引起飲用者嘔吐、腹痛和腹瀉v 含鹽分過多時水味含鹽分過多時水味發(fā)澀發(fā)澀 v H2S與碳酸氣同時存在有與碳酸氣同時存在有酸味酸味，有機質有，有機質有甜味甜味，但不適飲用。，但不適飲用。三、味道三、味道 v常見的地下水一般是透明的常見的地下水一般是透明的v透明度取決于透明度取決于:固體與膠體懸浮

13、物的含量。固體與膠體懸浮物的含量。v按透明度地下水分：按透明度地下水分：三、透明度三、透明度 地下水竟呈現(xiàn)出黃色，里面的雜質清晰可見地下水竟呈現(xiàn)出黃色，里面的雜質清晰可見 河南沈邱黃孟營村，所有的地下水都被污染了，導致了腫瘤的高發(fā) v 地下水的導電性取決于水中所含電解質的數(shù)量和性質，即取決于各種地下水的導電性取決于水中所含電解質的數(shù)量和性質，即取決于各種離子的含量和離子價，離子價越高，導電性越強。離子的含量和離子價，離子價越高，導電性越強。 根據地下水的導電性，可以區(qū)分根據地下水的導電性，可以區(qū)分含水層含水層和和隔水層隔水層、礦水礦水和和淡水淡水，也，也可根據導電性圈定富水地帶，尋找可根據導電

14、性圈定富水地帶，尋找斷裂破碎帶斷裂破碎帶。則水的導電性就越強。則水的導電性就越強地下水的導電性為水源勘察時候用電測創(chuàng)造了條件。地下水的導電性為水源勘察時候用電測創(chuàng)造了條件。四、導電性四、導電性 v地下水的比重近于近于1：取決于水中所含鹽分的多少。當水中溶水中所含鹽分的多少。當水中溶解了較多的鹽分時，比重可達解了較多的鹽分時，比重可達1.21.3。v 放射性取決于其中放射性物質的含量，地下水不同程度上或多或少地都具有放放射性取決于其中放射性物質的含量，地下水不同程度上或多或少地都具有放射性，但其含量一般極微，循環(huán)于放射性礦床的地下水其放射性相應增強。射性，但其含量一般極微，循環(huán)于放射性礦床的地下

15、水其放射性相應增強。（U 、Th、 Ra、 Rn）。）。 地下水按放射性元素的含量（地下水按放射性元素的含量（g/L）分為強放射性水、中等放射性水和弱）分為強放射性水、中等放射性水和弱放射性水。放射性水。 以鐳為例：以鐳為例：五、五、放射性弱弱中等中等強強10-10g/L10-9g/L主要內容主要內容v主要氣體成分主要氣體成分v主要離子成分主要離子成分v其他成分其他成分v總礦化度及化學成分表示式總礦化度及化學成分表示式1地下水中主要氣體成分地下水中主要氣體成分v 地下水中常見的氣體成分：地下水中常見的氣體成分： O2、N2、CO2、H2S、CH4、H2、碳氫化合物及少量的惰性氣體、碳氫化合物及

16、少量的惰性氣體（例如氡等）。（例如氡等）。 通常情況下，通常情況下，地下水中氣體含量只有地下水中氣體含量只有mg/Lmg/L。v研究地下水中氣體成分的意義：研究地下水中氣體成分的意義： 氣體成分氣體成分說明地下水所處的地球化學環(huán)境；說明地下水所處的地球化學環(huán)境； 水中有些氣體水中有些氣體會增加水溶解鹽類的能力，促會增加水溶解鹽類的能力，促進某些化學反應。進某些化學反應。一、氧（一、氧（O O2 2）1、氧的溶解度、氧的溶解度 溶解于水中的氧稱為溶解于水中的氧稱為“溶解氧溶解氧”，氧在水中溶解度較大，其，氧在水中溶解度較大，其溶解溶解量與水的礦化度、埋藏條件、溫度、大氣壓力、空氣氧的分壓力量與水

17、的礦化度、埋藏條件、溫度、大氣壓力、空氣氧的分壓力有有關。關。 礦化度升高，溶解量降低；埋藏深度增加，溶解量減少；溫度礦化度升高，溶解量降低；埋藏深度增加，溶解量減少；溫度升高，溶解量降低；大氣壓升高，溶解量增加。升高，溶解量降低；大氣壓升高，溶解量增加。2、含量分布特征、含量分布特征 （1 1）地下水中溶解的）地下水中溶解的O O2 2含量，一般在含量，一般在0-15mg/l0-15mg/l； （2 2）地下水中的）地下水中的O O2 2隨深度增加而減少；隨深度增加而減少； （3 3）缺氧環(huán)境各地深度不一，主要取決于地下水與大）缺氧環(huán)境各地深度不一，主要取決于地下水與大氣的隔離度。氣的隔離度

18、。 3、氧的來源、氧的來源 （1）地下水中的地下水中的氧氣氧氣和和氮氣氮氣主要主要來源于大氣來源于大氣。它隨大氣。它隨大氣降水及地表水補給地下水降水及地表水補給地下水, ,故以入滲補給為主、故以入滲補給為主、與大氣圈與大氣圈關系密切的地下水中含關系密切的地下水中含0 02 2 、N N2 2 較多較多 （2 2）水生植物光合作用釋放氧，光合作用把）水生植物光合作用釋放氧，光合作用把COCO2 2轉變?yōu)檗D變?yōu)镺 O2 2： （3 3）放射性作用使水或水中有機物質分解而釋出氧。）放射性作用使水或水中有機物質分解而釋出氧。 v 4、氧的水文地球化學作用、氧的水文地球化學作用 （1 1）O2O2決定地

19、下水的氧化還原狀態(tài)，溶解氧含量愈決定地下水的氧化還原狀態(tài)，溶解氧含量愈多多, ,說明地下水所處的地球化學環(huán)境（說明地下水所處的地球化學環(huán)境（氧化環(huán)境氧化環(huán)境）愈）愈有有利于氧化作用利于氧化作用進行。從而影響水中元素的遷移。進行。從而影響水中元素的遷移。 如在含氧多的地下水中，如在含氧多的地下水中，F(xiàn)eFe形成高價化合物而從水形成高價化合物而從水中沉淀；反之，地下水中含中沉淀；反之，地下水中含O2O2少，形成低價態(tài)化合物少，形成低價態(tài)化合物而易于在水中遷移。而易于在水中遷移。 （2 2）對金屬材料具有侵蝕作用。如自來水管的銹蝕。）對金屬材料具有侵蝕作用。如自來水管的銹蝕。 （3 3）影響水生動植

20、物的生存。）影響水生動植物的生存。 v 1、來源、來源 （1）主要來自大氣，）主要來自大氣，N2占大氣的占大氣的78%。 （2）在封閉缺氧的地質構造，由于去硝化作用將）在封閉缺氧的地質構造，由于去硝化作用將NO3-和和NO2-轉為轉為N2。 2、分布特征、分布特征 （1）由于）由于N2的化學性質不及氧活潑，它的分布隨深度的減少，不的化學性質不及氧活潑，它的分布隨深度的減少，不及及O2明顯。明顯。 （2）起源于大氣降水的地下水，若地下水中）起源于大氣降水的地下水，若地下水中(Ar+Kr+Xe)/N2比值比值為為0.0118，則表明水中，則表明水中N起源于大氣，若起源于大氣，若(Ar+Kr+Xe)

21、/ N20.0118，則表明水中含生物起源或變質起源的則表明水中含生物起源或變質起源的N。 （3）N2單獨存在時，通常說明地下水起源于大氣并處于還原環(huán)單獨存在時，通常說明地下水起源于大氣并處于還原環(huán)境。境。1、分布特征、分布特征 （1）一般地下水中含量很少，多在）一般地下水中含量很少，多在1mg/L以下。以下。 （2）在油田地下水及現(xiàn)代火山活動區(qū)地下水中，）在油田地下水及現(xiàn)代火山活動區(qū)地下水中，H2S含量較高，可達幾百含量較高，可達幾百mg/L幾十幾十g/L，H2S的存在說明地的存在說明地下水處于還原環(huán)境。下水處于還原環(huán)境。 2、來源、來源 （1）有機物來源：含硫蛋白質的分解，經常出現(xiàn)在）有機

22、物來源：含硫蛋白質的分解，經常出現(xiàn)在生物殘骸腐爛的地方。生物殘骸腐爛的地方。 （2）無機來源：缺氧條件下，脫硫酸作用使硫酸鹽）無機來源：缺氧條件下，脫硫酸作用使硫酸鹽還原分解而產生還原分解而產生H2S；火山噴發(fā)氣體的析出。；火山噴發(fā)氣體的析出。 3、與人體健康關系、與人體健康關系 H2S2mg/L以上的地下水，稱為以上的地下水，稱為H2S礦水，礦水，H2S礦水礦水可治療可治療多種外傷及皮膚病多種外傷及皮膚病。三、硫化氫（三、硫化氫（H2S）四、二氧化碳（四、二氧化碳（CO2）1、基本概念A）游離CO2 溶解于水中的CO2統(tǒng)稱為游離CO2B）平衡CO2322HCOHOHCO與HCO3-相平衡的C

23、O2，稱為平衡CO2C）侵蝕性CO2232232CaHCOOHCOCaCO當水中“游離CO2”，大于“平衡CO2”時，多余部分的CO2對碳酸和金屬構件等具有侵蝕性，這部分CO2，即為“侵蝕性CO2”2.2.來源：來源：v 空氣中的空氣中的CO2CO2。 空氣中的CO2按體積只占0.3%，可造成水中0.5mg/L的CO2v 地下水中的地下水中的C0C02 2主要來源于土壤主要來源于土壤（有機質殘骸的發(fā)酵作用與（有機質殘骸的發(fā)酵作用與植物的呼吸作用使土壤中源源不斷產生植物的呼吸作用使土壤中源源不斷產生C0C02 2并溶入流經土壤并溶入流經土壤的地下水中）。的地下水中）。 如在地下6米深的空氣中含7

24、%的CO2，比地面空氣中的含量增加很多倍，從而土壤上CO2成為淺部地下水中CO2的主要來源。四、二氧化碳（四、二氧化碳（CO2）2.2.來源：來源：v 含碳酸鹽類巖石含碳酸鹽類巖石, ,在深部高溫下可變質生成在深部高溫下可變質生成C0C02 2。v 煤、石油、天然氣燃料煤、石油、天然氣燃料, ,使大氣中產生的使大氣中產生的C0C02 2明顯增加。明顯增加。v 幔源碳逸出幔源碳逸出 地幔中含豐富的CO2和CH4等氣體，它們可沿切穿地幔的大型斷裂構造進入地殼淺部的地下水，其中CH4等碳氫化合物在上升過程中被氧化成CO2四、二氧化碳（四、二氧化碳（CO2） 270032400300COMgOMgCO

25、COCaOCaCOCC3、分布特征、分布特征 （1）一般地下水中游離）一般地下水中游離CO2為為15-40mg/L，很少超過，很少超過 150mg/L。 （2）礦泉水中）礦泉水中CO2含量很高，幾百含量很高，幾百mg/L至幾十至幾十 g/L。 如：江西尋烏溫泉如：江西尋烏溫泉CO2 =1193mg/L。 （3）現(xiàn)代火山活動區(qū)，地下水中）現(xiàn)代火山活動區(qū)，地下水中CO2 =500-10000mg/L。 4、碳酸水的利用、碳酸水的利用 （1）天然飲料礦泉水：水中）天然飲料礦泉水：水中CO2大于大于250mg/L。 （2）碳酸泉：水中）碳酸泉：水中CO2大于大于750mg/L。 （3）碳酸飲料具有良好的醫(yī)療作用，