水文地質(zhì)學(xué)地下水的化學(xué)成分及其形成作用課件

9地下水的化學(xué)成分及其形成作用2021/10/10星期日19.1概述地下水不是化學(xué)純的H20，而是一種復(fù)雜的溶液。賦存于巖石圈中的地下水，不斷與巖土發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，并在與大氣圈、水圈和生物圈進(jìn)行水量交換的同時(shí)，交換化學(xué)成分。

2021/10/10星期日2地下水的化學(xué)成分是地下水與環(huán)境—自然地理、地質(zhì)背景以及人類活動(dòng)—長期相互作用的產(chǎn)物。水是最為常見的良好溶劑。它溶解巖土的組分，搬運(yùn)這些組分，并在某些情況下將某些組分從水中析出。水是地球中元素遷移、分散與富集的載體。許多地質(zhì)過程(巖溶、沉積、成巖、變質(zhì)、成礦)都涉及地下水的化學(xué)作用。

2021/10/10星期日3為各種實(shí)際目的利用地下水。（1）要進(jìn)行水質(zhì)評價(jià)；（2）含大量鹽類(如NaCl、KCl)或富集某些稀散元素(Br、I、B、Sr等)的地下水是寶貴的工業(yè)原料；（3）某些具有特殊物理性質(zhì)與化學(xué)成分的水具有醫(yī)療意義；

2021/10/10星期日49.2地下水的化學(xué)特征地下水中含有各種氣體、離子、膠體物質(zhì)、有機(jī)質(zhì)以及微生物等。

9.2.1地下水中主要?dú)怏w成分地下水中常見的氣體成分有O2、N2、CO2、CH4及H2S等，尤以前三種為主。氧(O2)、氮(N2)：地下水中的氧氣和氮?dú)庵饕獊碓从诖髿?。它們隨同大氣降水及地表水補(bǔ)給地下水，因此，以入滲補(bǔ)給為主、與大氣圈關(guān)系密切的地下水中含O2及N2較多。

2021/10/10星期日5(1)溶解氧含量愈多，說明地下水所處的地球化學(xué)環(huán)境愈有利于氧化作用進(jìn)行。(2)O2在較封閉的環(huán)境中將耗盡而只留下N2。N2的單獨(dú)存在，通常可說明地下水起源于大氣并處于還原環(huán)境。

硫化氫(H2S)、甲烷(CH4)：地下水中出現(xiàn)(H2S)、甲烷(CH4)，其意義恰好與出現(xiàn)02相反，說明處于還原的地球化學(xué)環(huán)境。

2021/10/10星期日6二氧化碳(CO2):地下水中的CO2主要來源于土壤。有機(jī)質(zhì)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(chǎn)生CO2，并溶入流經(jīng)土壤的地下水中。含碳酸鹽類的巖石，在深卻高溫下，也可以變質(zhì)生成C02：

CaCO3=CaO+CO2(9—1)

工業(yè)與生活應(yīng)用化石燃料(煤、石池、天然氣)，使大氣中人為產(chǎn)生的C02明顯增加。地下水中含CO2愈多，其溶解碳酸鹽巖與對結(jié)晶巖進(jìn)行風(fēng)化作用的能力便愈強(qiáng)。

2021/10/10星期日79.2.2地下水中主要離子成分地下水中分布最廣、含量較多的離子共七種，即：氯離子(C1-)、硫酸根離子(S042-)、重碳酸根離子(HCO3-)、鈉離子(Na+)、鉀離子(K+)、鈣離子(Ca2+)及鎂離子(Mg2+)。Si、Al、Fe等元素，雖然在地殼中含量很大，但由于其難溶于水，地下水中含量通常不大。

2021/10/10星期日8隨著總礦化度(總?cè)芙夤腆w)的變化，地下水中占主要地位的離子成分也隨之發(fā)生變化。低礦化水中常以HCO3-及Ca2+、Mg2+為主；高礦化水則以C1-及Na+為主；中等礦化的地下水中，陰離子常以S042-為主，主要陽離子則可以是Na+，也可以是Ca2+。

2021/10/10星期日9鹽類溶解度鹽類溶解度NaClKClMgCl2CaCl2Na2S04350290558.1731.950MgSO4CaS04Na2C03MgC032701.9193.9O.1表9—1水中鹽類的溶解度不同氯鹽的溶解度最大，硫酸鹽次之，碳酸鹽較小。2021/10/10星期日10①氯離子(C1-)：地下水中的C1-主要有以下幾種來源：(1)來自沉積巖中所含巖鹽或其它氯化物的溶解；(2)來自巖漿巖中含氯礦物[氯磷灰石Ca5(P04)3Cl]、方鈉石[NaAlSiO4.NaCl3]的風(fēng)化溶解；(3)來自海水；(4)來自火山噴發(fā)物的溶濾；(5)人為污染：工業(yè)、生活污水及糞便中含有大量C1-。

2021/10/10星期日11②硫酸根離子(S042-)：地下水中的S042-來自含石膏(CaS04.2H20)或其它硫酸鹽的沉積巖的溶解。硫化物的氧化，則使本來難溶于水的S以S042-形式大量進(jìn)入水中。例如：2FeS2+702+2H2O+2FeSO4+4H++2S042-(9—2)(黃鐵礦)煤系地層常含有很多黃鐵礦，因此流經(jīng)這類地層的地下水往往以S042-為主，金屬硫化物礦床附近的地下水也常含大量S042-。

2021/10/10星期日12③重碳酸根離子(HCO3-)：地下水中的重碳酸有幾個(gè)來源。首先來自含碳酸鹽的沉積巖與變質(zhì)巖(如大理巖)：CaCO3+H2O+C02—2HCO3-+Ca2+

MgCO3+H2O+C02——2HCO3-+Mg2+

CaCO3和MgCO3是難溶于水的，當(dāng)水中有C02存在時(shí)，方有一定數(shù)量溶解于水，水中2HCO3-含量取決于與CO2含量的平衡關(guān)系。巖漿巖與變質(zhì)巖地區(qū)，HCO3-主要來自鋁硅酸鹽礦物的風(fēng)化溶解。

2021/10/10星期日13④鈉離子(Na+)：Na+來自沉積巖中巖鹽及其它鈉鹽的溶解，還可來自海水。在巖漿巖和變質(zhì)巖地區(qū)，則來自含鈉礦物的風(fēng)化溶解。⑤鉀離子(K+)：鉀離子來自含鉀鹽類沉積巖的溶解，以及巖漿巖、變質(zhì)巖中含鉀礦物的風(fēng)化溶解。⑥鈣離子(Ca2+)：鈣是低礦化地下水中的主要陽離子，來源于碳酸鹽類沉積物及含石膏沉積物的溶解，以及巖漿巖、變質(zhì)巖中含鈣礦物的風(fēng)化溶解。⑦鎂離子(Mg2+)：鎂的來源及其在地下水中的分布與鈣相近。來源于含鎂的碳酸鹽類沉積(白云巖、泥灰?guī)r)，此外，還來自巖漿巖、變質(zhì)巖中含鎂礦物的風(fēng)化溶解。2021/10/10星期日149.2.3地下水中的其它成分除了以上主要離子成分外，地下水還有一些次要離子，如H+、Fe2+、Fe3+、Mn2+、NH4+、OH-、N02-、NO3-、C032-、SiO32-及PO43-等。地下水中的微量組分，有Br、I、F、B、Sr等。地下水中以未離解的化合物構(gòu)成的膠體，主要有Fe(OH)3、Al(OH)3及H2Si03等，有時(shí)可占到相當(dāng)比例。2021/10/10星期日15有機(jī)質(zhì)也經(jīng)常以膠體方式存在于地下水中。有機(jī)質(zhì)的存在，常使地下水酸度增加，并有利于還原作用。地下水中還存在各種微生物。例如，在氧化環(huán)境中存在硫細(xì)菌、鐵細(xì)菌等，在還原環(huán)境中存在脫硫酸細(xì)菌等；此外，在污染水中，還有各種致病細(xì)菌。

2021/10/10星期日169.2.4地下水的總礦化度及化學(xué)成分表示式地下水中所含各種離子、分子與化合物的總量稱為總礦化度(總?cè)芙夤腆w)，以每公升中所含克數(shù)(g／L)表示。為了簡明地反映水的化學(xué)特點(diǎn)，可采用庫爾洛夫式表示。

2021/10/10星期日179.3地下水的溫度地殼表層有兩個(gè)熱能來源：一個(gè)是太陽的輻射，另一是來自地球內(nèi)部的熱流。地殼表層可分為變溫帶、常溫帶及增溫帶。(1)變溫帶受太陽輻射影響的地表極薄的帶。呈現(xiàn)地溫的晝夜變化和季節(jié)變化。變溫帶的下限深度一般為15-30m。此深度地溫年變化小于0.1℃。(2)常溫帶地溫一般比當(dāng)?shù)啬昶骄鶜鉁馗叱?-2℃。在粗略計(jì)算時(shí)，可將當(dāng)?shù)氐亩嗄昶骄鶜鉁刈鳛槌貛У販爻貛А?/p>

2021/10/10星期日18（3）增溫帶地溫受地球內(nèi)熱影響，通常隨深度加大而有規(guī)律地升高的地帶。增溫帶中的地溫變化可用地溫梯度表示。地溫梯度是每增加單位深度時(shí)地溫的增值，一般以℃／100m為單位。已知年平均氣溫(t)、年常溫帶深度(h)、地溫梯度(r)時(shí)，可概略計(jì)算某一深度(H)的地下水水溫(T)，即：

T=t+(H-h)r

2021/10/10星期日199.4地下水化學(xué)成分的形成作用9.4.1溶濾作用在水與巖土相互作用下，巖土中一部分物質(zhì)轉(zhuǎn)入地下水中，這就是溶濾作用。溶濾作用的結(jié)果，巖土失去一部分可溶物質(zhì)，地下水則補(bǔ)充了新的組分。水分子是一偶極分子，巖土與水接觸時(shí)，組成結(jié)晶格架的鹽類離子，被水分子帶相反電荷的一端所吸引；當(dāng)水分子對離子的引力足以克服結(jié)晶格架中離子間的引力時(shí)，離子脫離晶架，被水分子所包圍，溶入水中(圖9—2)。

2021/10/10星期日20不同鹽類，結(jié)晶格架中離子間的吸引力不同，因而具有不同的溶解度。

2021/10/10星期日21溶濾作用的強(qiáng)度與下列因素有關(guān)：（1）組成巖土的礦物鹽類的溶解度。（2）巖土的空隙特征。缺乏裂隙的致密基巖，水難以與礦物鹽類接觸，溶濾作用便也無從發(fā)生。（3）水的溶解能力決定著溶濾作用的強(qiáng)度?？偟恼f來，低礦化水溶解能力強(qiáng)而高礦化水弱。

2021/10/10星期日22（4）水中CO2、O2等氣體成分的含量決定著某些鹽類的溶解能力。如水中CO2含量愈高，溶解碳酸鹽及硅酸鹽的能力愈強(qiáng)。O2的含量愈高，水溶解硫化物的能力愈強(qiáng)。（5）水的流動(dòng)狀況。流動(dòng)停滯的地下水，最終將失去溶解能力，溶濾作用便告終止。地下水流動(dòng)迅速，礦化度低的、含有大量CO2、O2的大氣降水和地表水，溶濾作用便持續(xù)地強(qiáng)烈發(fā)育。地下水的徑流與交替強(qiáng)度是決定溶濾作用強(qiáng)度的最活躍最關(guān)鍵的因素。

2021/10/10星期日23應(yīng)注意的問題：（1）不應(yīng)將溶濾作用等同于純化學(xué)的溶解作用。溶濾作用乃是一種與一定的自然地理與地質(zhì)環(huán)境相聯(lián)系的歷史過程。（2）溶濾作用長期持續(xù)，巖層中保留下來的幾乎只是難溶的碳酸鹽及硅酸鹽，地下水的化學(xué)成分以碳酸鹽及硅酸鹽為主。（3）溶濾作用顯示出空間上的差異性。氣候愈是潮濕多雨，地質(zhì)構(gòu)造的開啟性愈好，巖層的導(dǎo)水能力愈強(qiáng)，地形切割愈強(qiáng)烈，地下徑流與水交替愈迅速，巖層經(jīng)受的溶濾便愈充分，保留的易溶鹽類便愈貧乏，地下水的礦化度愈低，難溶離子的相對含量也就愈高。

2021/10/10星期日249.4.2濃縮作用(1)濃縮作用在干旱半干旱地區(qū)，蒸發(fā)成為地下水的主要排泄去路。由于蒸發(fā)作用只排走水分，鹽分仍保留在余下的地下水中，隨著時(shí)間延續(xù)，礦化度不斷增大,地下水溶液逐漸濃縮。(2)基本特征隨著地下水礦化度上升，溶解度較小的鹽類在水中相繼達(dá)到飽和而沉淀析出，易溶鹽類(如NaCl)的離子逐漸成為水中主要成分。

2021/10/10星期日25未蒸發(fā)濃縮前，地下水為低礦化水，隨著蒸發(fā)濃縮，溶解度小的鈣、鎂的重碳酸鹽部分析出，S042-及Na+逐漸成為主要成分。繼續(xù)濃縮，水中硫酸鹽達(dá)到飽和并開始析出，便將形成以C1-、Na+為主的高礦化水。(3)產(chǎn)生濃縮作用的條件1）干旱或半干旱的氣候；2）較淺的地下水位埋深；3）空間上位于地下水流動(dòng)系統(tǒng)的勢匯—排泄處。

2021/10/10星期日269.4.3脫碳酸作用在還原環(huán)境中，當(dāng)有有機(jī)質(zhì)存在時(shí)，脫硫酸細(xì)菌能使S042-還原為H2S：S042-+2C+2H2O—H2S+2HCO3-

結(jié)果使地下水中S042-減少以至消失，2HCO3-增加，pH值變大。封閉的地質(zhì)構(gòu)造，如儲油構(gòu)造，是產(chǎn)生脫硫酸作用的有利環(huán)境。因此，某些油由水中出現(xiàn)H2S，而S042-含量很低。這一特征可以作為尋找油田的輔助標(biāo)志。2021/10/10星期日279.4.5陽離子交替吸附作用(1)陽離子交替吸附作用巖土顆粒表面帶有負(fù)電荷，能夠吸附陽離子。一定條件下，顆粒將吸附地下水中某些陽離子，而將其原來吸附的部分陽離子轉(zhuǎn)為地下水中的組分，這便是陽離子交替吸附作用。不同的陽離子，其吸附自大而小順序?yàn)椋篐+>Fe3+>Al3+>Cl->Mg2+>K+>Na+。離子價(jià)愈高，離子半徑愈大，水化離子半徑愈小，則吸附能力愈大。H+則是例外。當(dāng)含Ca2+為主的地下水，進(jìn)入主要吸附有Na+的巖土?xí)r，水中的Ca2+便置換巖土所吸附的一部分Na+，使地下水中Na+增多而Ca2+減小。

2021/10/10星期日289.4.6混合作用成分不同的兩種水匯合在一起，形成化學(xué)成分與原來兩者都不相同的地下水，這便是混合作用?；旌献饔玫慕Y(jié)果，可能發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而形成化學(xué)類型完全不同的地下水。兩種水的混合也可能不產(chǎn)生明顯的化學(xué)反應(yīng)。例如當(dāng)高礦化的氯化鈉型海水混入低礦化的重碳酸鈣鎂型地下水中，基本上不產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)。這種情況下，混合水的礦化度與化學(xué)類型取決于參與混合的兩種水的成分及其混合比例。

2021/10/10星期日299.4.7人類活動(dòng)在地下水化學(xué)成分形成中的作用人類活動(dòng)對地下水化學(xué)成分的影響,一方面表現(xiàn)在人類生活與生產(chǎn)活動(dòng)產(chǎn)生的廢棄物污染地下水；另一方面，人為作用大規(guī)模地改變了地下水形成條件，從而使地下水化學(xué)成分發(fā)生變化。（1）工業(yè)生產(chǎn)的廢氣、廢水與廢渣以及農(nóng)業(yè)上大量使用化肥農(nóng)藥，使天然地下水富集了原來含量很低的有害元素，如酚、氰、汞、砷、鉻、亞硝酸等；（2）濱海地區(qū)過量開采地下水引起海水入侵；（3）不合理的打井采水使咸水運(yùn)移；（4）干旱半干旱地區(qū)不合理地引入地表水灌溉，引起大面積次生鹽漬化等；

2021/10/10星期日309.5地下水化學(xué)成分的基本成因類型從形成地下水化學(xué)成分的基本成分出發(fā)，可將地下水分為三個(gè)主要成因類型：溶濾水、沉積水和內(nèi)生水。9.5.1溶濾水(1)溶濾水富含CO2與O2的滲入成因的地下水，溶濾它所流經(jīng)的巖土而獲得其主要化學(xué)成分，這種水稱之為溶濾水。

2021/10/10星期日31(2)影響因素溶濾水的成分受到巖性、氣候、地貌等因素的影響。1）巖性的影響例如，石灰?guī)r、白云巖分布區(qū)的地下水，HC03-、Ca2+、Mg2+為其主要成分。含石膏的沉積巖區(qū)，水中S042-與Ca2+均較多。酸性巖漿巖地區(qū)的地下水，大都為HCO3-Na型水?；詭r漿巖地區(qū)，地下水中常富含Mg2+。煤系地層分布區(qū)與金屬礦床分布區(qū)多形成硫酸鹽水。

2021/10/10星期日32注意：（1）潮濕氣候區(qū)，最終淺層地下水很可能都是低礦化重碳酸水，難溶的Si02在水中占到相當(dāng)比重；（2）干旱氣候下平原盆地的排泄區(qū)，最終都將形成高礦化的氯化物水。溶濾作用主要受控于氣候，顯示受氣候控制的分帶性。

2021/10/10星期日332）地形的影響例如，山區(qū)地下水徑流條件好，水交替迅速，常形成低礦化的以難溶離子為主地下水。地勢低平的平原與盆地，水交替緩慢，地下水的礦化度與含易溶離子均較高。3）干旱地區(qū)的山間堆積盆地，地下水化學(xué)分帶最為典型。從盆地邊緣洪積扇頂部的低礦化重碳酸鹽水帶，到過渡地帶的中等礦化硫酸鹽水，盆地中心則是高礦化的氯化物水。

2021/10/10星期日349.5.2沉積水(1)沉積水指與沉積物大體同時(shí)生成的古地下水。河、湖、海相的沉積物中的水具有不同的原始成分，在漫長的地質(zhì)年代中水質(zhì)又經(jīng)歷一系列復(fù)雜的變化。

9.5.3內(nèi)生水(1)內(nèi)生水源自地球深部層圈的水。內(nèi)生水的研究迄今還很不成熟，今后水文地質(zhì)學(xué)的研究領(lǐng)域?qū)⑾虻厍蛏畈繉尤U(kuò)展，更加重視內(nèi)生水的研究。

2021/10/10星期日359.6地下水化學(xué)成分的分析內(nèi)容與分類圖示9.6.1地下水化學(xué)分析內(nèi)容(1)

簡分析簡分析用于了解區(qū)域地下水化學(xué)成分的概貌,簡分析項(xiàng)目少，精度要求低，簡便快速，成本不高，技術(shù)上容易掌握。其分析項(xiàng)目有：1）物理性質(zhì)(溫度、顏色、透明度、嗅味、味道等)；2）化學(xué)成分：HCO3-、S042-、C1-、Ca2+、總硬度、pH值。通過計(jì)算可求得水中各主要離子含量及總礦化度。定性分析的項(xiàng)目則不固定，較經(jīng)常的有NO3-、NO2-、NH4+、Fe2+、Fe3+、H2S、耗氧量等。分析這些項(xiàng)目是為了初步了解水質(zhì)是否適于飲用。

2021/10/10星期日36(2)全分析全分析項(xiàng)目較多，要求精度高。通常在簡分析的基礎(chǔ)上選擇有代表性的水樣進(jìn)行全分析，以較全面