第4章 地下水的物理性质和化学成分

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。 因此，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 要用地质历史的观点去考察，去分析与研究问题！！
二、浓缩作用： 地下水因蒸发失去水分，造成盐类积累浓缩的作用
理想的蒸发浓缩模式：
18℃时 pH＝6.52+lg[HCO3-]- lg[CO2] 25℃时 pH＝6.37+lg[HCO3-]- lg[CO2] 式中：6.52、6.37分别是18℃、25℃时碳酸一级电离常 数的负对数。
二、氧化、还原电位Eh
——氧化剂与还原剂之间的电位差，单位V。
原子或离子失去电子（即电价升高）为氧化（还原剂），得到电 子（即电价降低）为还原（氧化剂）。
第二节 地下水的化学成分
地下水不是纯的H2O，而是成分复杂天然溶液。 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。 化学成分：气体成分、离子成分、胶体物质、有机质等。
地下水化学成分研究的意义
理论上：揭示地下水的形成和起源 地下水的化学成分是地下水与环境（自然地理、地质背景 以及人类活动）长期相互作用的产物。一个地区地下水的 化学面貌，反映了该地区地下水的历史演变。 研究地下水的化学成分，可以回溯一个地区的水文地质历 史，阐明地下水的起源与形成。
• 饱和度、温度（图4-9）、PH值、侵蚀性
– 水的交替能力是决定溶滤作用的关键因素 – 溶滤作用的时间性
一、溶滤作用——结果
通常刚渗入到地下的水，矿化度很低，随着水在地下含水岩 层 的运移，不断有新的盐份溶解到水中，水中TDS↑，水的 溶解能力下降，最终水的溶解能力→0。
地下水是如何保持它的溶解能力的？
地下水水流过程的阴离子变化 Cl++ ++
+++ + ++
SO42++
+ ++
+++
HCO3+
+ ++ +++
• 三、地下水中的同位素（表4-8）
– 主要同位素有：氢（1H、2H、 3H）、氧（16O、 18O）、碳（12C、13C、 14C）、硫（32S、 34S、）富集程度：
18 16 8 样 O [ ] 18 16 （ O/ O） SMOW
地下水化学成分研究的意义
实际应用：水质评价 A、确定饮用水、工农业用水 B、提取化工原料 C、确定含水层之间及与地表水间的水力联系
D、查明地下水的侵蚀能力
E、查明地下水水质污染源 F、揭示地下水的地质作用规律，实现水质找矿 G、医疗用水、地方病 研究方法：
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
地下水化学成分研究的意义
F、揭示地下水的地质作用规律，实现水质找矿
岩溶 迁移 沉积 地下水
富有化学成分
分散 富集
卤岩、金属矿产、油田
一、地下水主要的气体成分
1、氧（O2）：具有氧化作用
主要来源——大气、地表水和植物光合作用。 含量——通常在0-14mg/l之间。 氧化作用——若>3.5mg/l，即处于氧化环境
2
Kap
将析出BaSO4，直至平衡。
• 如 [ Ba
2
][SO4 ] Kap
2
溶液与足够量固体BaSO4接触，则BaSO4溶解进入水中， 直至平衡。 • Note：若溶液未和足够量固体BaSO4接触，可以任何浓度存在。
一、溶滤作用
• 溶滤作用的影响因素
– 不同的矿物有不同的溶解度，溶解度越大越易溶 滤。表4-13 – 岩石的空隙越大，越易发生溶滤作用 – 水的溶解能力越强，越易发生溶滤作用
第三节 地下水主要化学性质
一、酸碱性
按pH分类（表4-9） 野外测试：pH试纸、酸度仪
pH值：溶液中H+浓度负对数来表示溶液的酸碱性。 pH值决定了水中HCO3-、CO32-、CO2的含量。 （图4-3）
（表4-7）
对于含有机质不多且矿化度不大的水来说，pH<8.4时， pH值与游离CO2和HCO3-含量之间有如下关系：
• BaSO4饱和溶液中： BaSO4（s）=Ba2++SO42温度一定时，K为常数
[ Ba ][SO4 ] K [ BaSO 4]
溶度积
2
2
[ Ba ][SO4 ] Kap
• 如 [ Ba2 ][SO 2 ]
4
2
2
[Ba • BaSO4溶液与固体BaSO4接触达平衡时，
2
] [SO4 ]
– 酸性侵蚀
Fe 2H Fe H 2

2
第四节 地下水化学成份的形成
地下水化学成分的形成作用
•
•
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产生
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
一、地下水主要的气体成分
4、硫化氢（H2S）、甲烷（CH4）：
地下水中出现H2S和CH4，意义恰好和出现O2相反，说明处于
还原的地球化学环境。
来源
（1）生物化学作用 SO42-+2C+2H2O→2HCO3-+H2S （2）地壳深部的变质作用及火山作用
CH4 ，地下水是封闭构造的油田水； H2S，缺氧的还原环境
地表
生物残骸
Mg2+
其它
岩浆岩
含氯类矿物 含氯类矿物
SO42-
碎屑岩类
长石类分解成HCO3
硫化物
石膏 盐岩类 石灰岩 含氯类矿物 酸雨 人工污染 其它
ClHCO31-
地表
海水
采空区
主要离子构成的盐类溶解度有关：
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： 矿化度(g/L) :低(<1) 阴 离 子: 阳 离 子: HCO3Ca2+ 中(1-10) SO42Ca2+,Mg2+ 高(10-30) ClNa+,K+
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
一、溶滤作用
• 溶滤作用：水和岩石相互作用时，岩石中的 一部分物质溶于水中的作用。
水分子结构示意图
水溶解盐类过程示意图 左侧表示水的极化分子吸引结晶格架中的离子，右侧 表示结晶格架破坏。离子溶入水中
一、溶滤作用
第一节
一、地下水的温度
H h TH TB G
二、地下水的颜色 三、地下水的透明度
地下水的物理性质
（表4-1）
H (TH TB )G h
（表4-2）——比色管
（表4-3）——量筒（高100cm，直径3cm）＋黑十字
线（粗3mm）
四、地下水的气味（表4-4） 五、地下水的味道（表4-5 ） 六、地下水的比重（表4-6 ） 七、导电性 八、水的放射性 物理性质的应用：大致判断化学性质。
——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 ） 地下水如果流动速度快，水交替（更新）迅速，CO2， O2不断被补充，低TDS水不断更新溶解能力已降低的水。 长期作用下去，地下水水化学特征如何？
一、溶滤作用——结果
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—Ca Mg 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
2-、Ca2+、Na+为主
II. M中等，SO4
（图4-6）
III.M高,Cl-、Na+为主
四、地下水的硬度
•由于水中含有Ca2+、Mg2+而具有的性质，水中Fe3+、Al3+ 也具有硬度。 •总硬度：水中钙、镁离子的总量。是暂时硬度和永久硬度 的总和。 •暂时硬度：水加热沸腾后，析出的钙、镁离子的含量。 • Ca2++2HCO3-→ CaCO3↓+H2O+CO2↑ •永久硬度：水沸腾后，仍保留在水中的钙、镁离子含量。 主要是Ca2+、Mg2+的硫酸盐和氯化物。 •碳酸盐硬度：与HCO3-平衡的钙、镁含量。 •负硬度：水中HCO3-含量大于总硬度，多余的这部分HCO3含量称为负硬度。 负硬度=r( HCO3-)-r(Ca2++Mg2+)
•地下水按硬度分类，见表4-12
五、地下水的侵蚀性
– 侵蚀性CO2对混凝土的侵蚀
– 硫酸盐侵蚀
（图4-7）
CaCO3 H 2O CO2 Ca
2
2HCO
3
4CaO Al2 O3 12H 2 O 3CaSO4 nH2 O 3CaO Al2 O3 3CaSO4 nH2 O Ca(OH ) 2
能斯特公式——25℃时，Eh与物质浓度之间的关系
Eh Eh0
0.059 [氧化态] lg n [还原态]
式中：Eh——介质的氧化还原电位，V Eh0——标准电位； n——氧化还原中得失电子数 [氧化态]、[还原态]分别表示反应中氧化态物质和 还原态物质的摩尔浓度。