7第七章 地下水的化学组分及其演变

第七章 地下水的化学组分及其演变

7．1 概 述

地下水不是化学纯的H 2O ，而是一种复杂的溶液。 天然：

人为：人类活动对地下水化学成分产生影响。

地下水的化学成分是地下水与环境、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。

水是最为常见的良好溶剂，可溶解、搬运岩土中的某些组分。水是地球中元素迁移富集的载体。

利用地下水，各种行业对水质都有一定的要求→进行水质评价。

7．2 地下水的化学特征

1．地下水中主要气体成分

O 2 、N 2 、CO 2 、CH 4 、H 2S 等。 1）O 2 、N 2

地下水中的O 2 、N 2主要来源于大气。地下水中的O 2含量多→说明地下水处于氧化环境。在较封闭的环境中O 2耗尽，只留下N 2，通常说明地下水起源于大气，并处于还原环境。

2）H 2S 、甲烷（CH 4）

地下水中出现H 2S 、CH 4 ，其意义恰好与出现O 2相反，说明→处于还原的地球化学环境。 3）CO 2

CO 2主要来源于土壤。化石燃料（煤、石油、天然气）→CO 2（温室气体）→温室效应→全球变暖。

地下水中含CO 2愈多，其溶解碳酸盐岩的能力便愈强。 2．地下水中主要离子成分

7大离子：Cl -、SO 42-、HCO 3-

、Na +、K +、Ca 2+、Mg 2+。

低矿化水中（M<1 ~ 2g/L ）：HCO 3-

、Ca 2+、Mg 2+为主（难溶物质为主）；

发生化学反应

岩石圈水圈

交换化学成分

中矿化水中（M=2 ~ 5g/L ）：SO 42-

、Na +、Ca 2+为主； 高矿化水中（M>5g/L ）：Cl -

、Na +为主（易溶物质为主）。 造成这种现象的主要原因是水中盐类溶解度的不同： 溶解性总固体(total dissolved solids)：溶解性总固体是指溶解在水中的无机盐和有机物

的总称(不包括悬浮物和溶解气体等非固体组分)，用缩略词TDS １）Cl -

主要出现在高矿化水中，可达几g/L ~ 100g/L 以上。 来源：

① 来自沉积岩氯化物的溶解；

② 来自岩浆岩中含氯矿物的风化溶解； ③ 来自海水；

④ 来自火山喷发物的溶滤；

⑤ 人为污染：工业、生活污水及粪便中含有大量Cl -

，因此居民点附近矿化度不高的

地下水中，如Cl -

含量超过寻常，则说明很可能已受到污染。

特点：

① Cl -

不为植物及细菌所摄取，不被土粒表面所吸附，氯盐溶解度大，不易沉淀析出，是地下水中最稳定的离子； ② Cl -含量随着矿化度增长而不断增加，Cl -

的含量常可用来说明地下水的矿化程度。 2）SO 42-

中等矿化的地下水中，SO 42-

为主要阴离子。 来源：

① 含石膏（CaSO 4·2H 2O ）或其它硫酸盐的沉积岩的溶解； ② 硫化物的氧化：

2FeS 2+7O 2+2H 2O →2FeSO 4+4H ++2SO 42-

（黄铁矿） 注意：

① 由于煤系地层（C –P ）常含有很多黄铁矿（硫铁矿），因此流经这类地层的地下水

往往以SO 42-

为主；

② 金属硫化物矿床附近的地下水中常含有大量的SO 42-

；

③ 煤的燃烧产生大量SO 2，与大气中的水汽结合形成含硫酸的降雨→酸雨，从而使

地下水中SO 42-

增加；

④ 在我国能源消耗中，煤占70%以上，我国每年向大气排放的SO 2已达1800⨯104t 之

多，因此，地下水中SO 42-

的这一来源不容忽视。 ３）HCO 3-

低矿化水的主要阴离子。 来源：

① 含碳酸盐的沉积盐（石灰岩、白云岩）与变质岩（大理盐）：

碳酸盐溶 解 度

矿 化 度

小

低

H C O 3

-S O 4

2-C l

-大

高

硫酸盐氯盐

CaCO3+H2O+CO2→2HCO3-+Ca2+

MgCO3+H2O+CO2→2HCO3-+Mg2+

-主要来源于铝硅酸盐矿物的风化溶解。

②岩浆岩与变质岩地区，HCO

3

４）Na+

高矿化水中的主要阳离子。

来源：

①沉积岩中岩盐及其它钠盐的溶解；

②海水；

③岩浆岩和变质岩地区含钠矿物的风化溶解；

④酸性岩浆岩中大量含钠矿物，在CO2、H2O的参与下，将形成低矿化的以Na+、HCO3-

为主的地下水。

５）K+

高矿化水中含量较多。

来源与分布特点与Na+相近：

①含钾盐类沉积岩的溶解；

②岩浆岩、变质岩中含钾矿物的风化溶解。

在地壳中K与Na的含量相近，但在地下水中K+的含量比Na+少得多，这是因为：

①K+大量地参与形成不溶于水的次生矿物（水云母、蒙脱石、绢云母）；

②易为植物所摄取。

由于K+含量少，分析比较费事，所以一般将K+归并到Na+中，不另区分。

６）Ca2+

是低矿化水中的主要阳离子。

来源：

①碳酸盐类沉积物及含石膏沉积物的溶解；

②岩浆岩、变质岩中含钙矿物的风化溶解。

７）Mg2+

来源及分布与Ca2+相近：

①含镁的碳酸盐类沉积岩（白云盐、泥灰盐）；

②岩浆岩、变质岩中含镁矿物的风化溶解。

Mg2+在低矿化水中通常含量较Ca2+少。

地下水中各种离子的测定方法，参阅《水质分析》的有关书籍。

3．地下水中的其他成分

除主要离子（七大离子）外，地下水中还有其他成分：

1）次要离子：H+、Fe2+、Fe3+、Mn2+、NH4+、OH-、NO2-、NO3-、CO32-、SiO32-、PO43-等；2）微量组分（元素）：Br、I、F、B、Sr等；

3）胶体成分：Fe(OH)3、Al(OH)3、H2SiO3等；

4）有机体；

5）微生物：如氧化环境中存在：硫细菌、铁细菌；

还原环境中存在：脱硫酸细菌；

在污水中：各种致病细菌。

4．地下水的总矿化度及化学成分表示式

总矿化度（总溶解固体）––––地下水中所含各种离子、分子与化合物的总量称为总矿化度（总溶解固体）。单位：g/L。

矿化度M––––degree of mineralization；