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 2CO 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 42-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，HCO3４）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；总溶解固体TDS ––––total dissolved solid 。

测定：① 一般以105 ~ 110︒C 时将水蒸干所得的干涸残余物总量来表示矿化度（M ）；② 将分析所得阴阳离子含量相加，相加时HCO 3-只取重量的一半，因为在蒸干时，有近一半的HCO 3-分解为CO 2、H 2O 而逸失。

总硬度––––水中所含钙离子和镁离子的总量。

地下水水化学成分表示→库尔洛夫式：将阴阳离子分别标示在横线上。

按毫克当量百分数自大到小顺序排列。

小于10%的离子不予表示：横线前依次表示气体成分、特殊成分及矿化度(M)，三者单位均为g/L ，横线后以字母t 为代号表示以摄氏计的水温。

如：528.276.7143.148.842.32031.0021.02307.02t Ca Na SO Cl M COS H SiO H7．3 地下水中的微生物地下水中的微生物，主要有以下作用：①参与地下水化学形成作用，改变地下水组分；②生物修复地下水污染；③改变含水介质特性；④参与成岩作用；⑤参与成矿作用(陈骏等，2004；李政红等，2007)。

微生物是氧化—还原作用的触媒。

许多地下水化学形成作用是生物地球化学过程，都有微生物的参与。

例如，脱硫酸作用：污染地下水的生物修复，是最有潜力的污染修复方式。

可溶岩喀斯特化一直被认为是化学作用的结果，现在发现，存在多种微生物的生物化学作用，影响碳酸盐的溶解与沉淀。

微生物在成矿中发挥重要作用。

微生物几乎参与了所有的地质过程，原先认为是无机的地质作用，其实都是有机的(陈骏等，2006；汪晶先，2003)，地质微生物学作为一门交叉学科正存蓬勃兴起，对于解决水文地质学面对的理论及实际问题，有着难以估量的意义，水文地质工作者需要扩展视野，参与地质微牛物的探索与发展。

7．4 地下水的温度地壳表层可分为3个带：1）变温带：受太阳辐射影响，地温随昼夜与季节变化；2）常温带：地温接近常数，一般比当地年平均气温高１~2℃；3）增温带：受地球内部热流的影响，随深度加大地温升高。

地温梯度（γ）––––是指每增加单位深度时，地温的增值。

单位：℃/100m 。

地温梯度的平均值为3℃/100m ，一般1.5 ~ 4℃/100m 。

地下水的温度受地温控制：1）变温带地下水：水温有较小的季节性变化； 2）常温带地下水：水温与当地平均气温接近；3）增温带地下水：随地温梯度的增加而增加，甚至成为热水。

两个公式：① 利用地温梯度（γ），概略计算某一深度的地下水水温（T ）： T=t+(Ｈ－h) γ式中：t ––––年平均气温；H ––––地下水埋深； h ––––常温带深度。

② 利用地下水温（T ），推算其大致循环深度（H ）：h tT H +-=γ7．5 地下水化学成分形成作用地下水主要来源于大气降水，大气降水的矿化度一般为0.02~0.05g/L ，进入含水层后，水与岩土作用，矿化度升高，化学成分发生变化。

1．溶滤作用溶滤作用––––在水与岩土相互作用下，岩土中一部分物质转入地下水中。

溶滤作用的结果：岩土失去一部分可溶物质；地下水则补充了新的组分。

影响溶滤作用的因素： 1）岩土中矿物盐类的溶解度：首先：NaCl 迅速转入水中，SiO 2很难溶于水中。

2）岩土的空隙：空隙发育，溶滤作用强，否则弱。

3）水的矿化度：低矿化水溶解能力强，而高矿化水溶解能力弱。

4）水中CO 2、O 2等气体成分：水中CO 2含量愈高，溶解碳酸盐及硅酸盐的能力愈强。

水中O 2含量愈高，溶解硫化物的能力愈强。

5）水的流动状况：停滞的地下水，最终将失去溶解能力； 流动的地下水，经常保持强的溶解能力。

地下水的径流与交替强度是决定溶滤作用强度的最活跃、最关键的因素。

随着溶滤作用的进行：在时间上：一个地区经受溶滤作用愈强烈，时间愈长，地下水的矿化度愈低，愈是以难溶离子为其主要成分。

在空间上：气候愈是潮湿多雨，地质构造的开启性愈好，岩层的导水能力愈强，地形切割愈强烈，地下水的径流与交替愈迅速，地下水的矿化度愈低，难溶离子的相对含量也就愈高。

２．浓缩作用主要发生在干旱半干旱地区的平原与盆地的低洼处。

当地下水位埋藏较浅时，蒸发强烈，蒸发成为地下水的主要排泄去路。

随着时间的增加，地下水溶液逐渐浓缩，M 增大。

随着矿化度的上升，溶解度较小的盐类在水中相继达到饱和而沉淀析出，易溶盐类（如NaCl ）的离子逐渐成为水中主要成分。

产生浓缩作用的条件： 1）气候：干旱半干旱； 2）地势：低平；3）地下水位：埋藏浅；4）排泄区（从别处带来的盐分在排泄区集聚）。

３．脱碳酸作用CO 2的溶解度随温度升高或压力降低而减小，一部分CO 2便成为游离CO 2从水中逸出，这便是––––脱碳酸作用。

Ca 2++2HCO 3-→CO 2↑+H 2O+CaCO 3↓Mg 2++2HCO 3-→CO 2↑+H 2O+MgCO 3↓ 结果：① 地下水中HCO 3-、Ca 2+、Mg 2+减少； ② 矿化度降低。