第七章地下水的化学组分及其演变
第7讲__地下水的物理性质、化学成分及其形成作用.
高矿化水以Cl-、Na+为主;
中等矿化水中,阴离子常以S042-为主,主要阳离子为 Na+、Ca2+。
地下水的矿化度与离子成分间之所具有这种对
应关系,主要原因是水中盐类的溶解度不同（表1）
盐类 NaCl KCl MgCl2 CaCl2 溶解度 盐类 溶解度 50 270 1.9 盐类 溶解度
Na2SO4 350 MgSO4 290 558.1（18℃） CaSO4 731.9（18℃）
含量：
低矿化水中含量通常较Ca2+少,通常不成为地下水中的主 要离子,部分原因是由于地壳组成中Mg比Ca少。并且容易被
一、离子成份——镁离子（Mg2+）：
来源：
沉积岩：含镁的碳酸盐类沉积(白云岩、泥灰岩）；
岩浆岩、变质岩中含镁矿物的风化溶解。
(Mg Fe)2 SiO4 2H 2O 2CO2 MgCO3 FeCO3 Si(OH )4
MgCO3 H2O CO2 Mg 2 2HCO3
以易溶的氯和钠占优势（由于氯化钙的溶解度更大,故在
矿化度异常高的地下水中以氯和钙为主）。
一、离子成份——氯离子（Cl-）
1、迁移性能
Cl-具有很强的迁移性能，其原因有三个方面： （1）不形成难溶化合物 （2）不被胶体所吸附 （3）不被生物所吸附 2、分布规律
氯离子在地下水中广泛分布,但低矿化水中一般含量 仅mg/L,高矿化水中可达g/L以上。地下水中的Cl-含量随 地下水矿化度的增高而增高。在高矿化度水中，占阴离
3、来源 （1）石膏、硬石膏及含硫酸盐的沉积物 （2）硫化物及天然硫的氧化 （3）火山喷发物中硫的氧化 （4）大气降水中的SO42（5）有机物的分解 （6）生活、工业、农业废水 （7）燃烧给大气人为产生的SO42-与氮氧化合物，构成富含硫酸及 硝酸的降水（酸雨）,使地下水中SO42-增加。
地下水基本成因类型与化学成分形成特征
2、植物-土壤影响阶段（包气带水—岩作用阶段）
雨水降落到地表，在多数情况下先与植物和土壤相遇，并 开始成为地下水（土壤水），植物和土壤对于水的成分显 示了重要的影响。
（1）植物 使水富集一些元素，雨水流经植物根部时，经常 会富集一些植 物中的生物成因元素；
位于不同景观带的土壤，对于地下水成分的影响是不同的。 例如，在森林地带，经过土壤层后，地下水富集了硅、铝、 有机酸；在草原地带，地下水溶解了大量的盐类组分。而 在碱性土分布区，可形成碱性水（PH>7），矿化度可以 较高。
氧化还原作用，溶解作用，生物因素
（4）植物-土壤影响阶段地下水的共同特征：
• 相对于原生铝硅酸盐，一般土壤水都未达到饱和状态，即 具有溶解原生铝硅酸盐的能力。
• 土壤水中含有数量可观的碳酸类化合物，这包括游离碳酸 （ CO2）、HCO3-、CO32-以及仍未被氧化的有机化合物， 后者的进一步分解将使水中碳酸化合物含量进一步提高。
这两点共同特征决定了渗入成因地下水在经过植物-土壤影 响阶段后，仍具有很强的与围岩介质发生反应的能力。
3、水-岩相互作用阶段 地下水进入含水层中，与岩石相接触，发生相互作用。 • 围岩与水之间的地球化学作用类型：溶解作用和氧化
三、沉积成因地下水化学成分的形成与特征
（以海相封存水为例）
由于海相沉积占地壳表层沉积的绝大部分，海 水成分相对较为稳定，因此已有的研究大多集 中在海相沉积-埋藏水上。近年来，注意力开始 转向陆相沉积成因水。 形成过程： 含于沉积物中的水成分(地表水体)→后生作用 (挤压、变形、变质、热液交代、风化等作用) →沉积水.
一、地下水基本成因类型
水文地质学中的地下水化学成分
水文地质学中的地下水化学成分地下水是地下流入的水体，通常在深层岩石或土壤中储存、流动和释放。
水文地质学是研究地下水现象的学科，涉及地球物理、地质学、化学等多个学科领域。
地下水的化学成分是水文地质学中的重要研究内容之一，主要涉及地下水中的溶解物质、离子浓度、pH值等。
地下水化学成分的特征地下水中溶解物质的类型和浓度取决于地下水流经的地质环境和土壤性质等因素。
一般来说，地下水中主要溶解物质包括离子、有机化合物、微生物等。
离子是地下水中主要的化学组成部分，包括阳离子和阴离子两种。
阳离子主要有钠、镁、钙、钾等，阴离子主要有氯离子、碳酸根、硫酸根等。
有机化合物包括有机酸、腐殖物、油等。
微生物包括细菌、病毒等。
此外，地下水中还存在一些较稀有的溶解物质，如硒、铊、铅等，这些元素含量较低，但会对人体健康造成负面影响。
地下水的pH值是另一个重要的化学特性。
pH值是一种表示水平酸碱程度的指标，一般在7左右为中性，小于7为酸性，大于7为碱性。
地下水的pH值通常介于6-8之间，但有时也会出现pH值过低或过高的情况。
例如，在饮用水井中，pH值过低可能会导致腐蚀性物质的浸出，而pH值过高则可能会引起水垢和钙沉积。
地下水的化学成分对环境和人类健康的影响地下水中的溶解物质、离子浓度和pH值都可以对环境和人类健康造成影响。
一些特定的化学物质会影响地下水的颜色、味道和气味，从而影响水的使用。
例如，硫化物可以导致地下水呈现不良气味和深紫色，而铁和锰的存在会使水变得黄色或棕色。
高浓度的硝酸盐和硫酸根则可能导致地下水变得饮用不安全。
此外，高浓度的氟化物会导致骨质疏松和牙齿疾病的发生。
地下水的pH值过低或过高也会对人体健康造成不良影响，如引起胃肠炎、腰痛、关节炎等。
总的来说，地下水化学成分的研究对于确保地下水质量的安全和可持续利用是非常重要的。
水文地质学家们利用现代化学技术进行地下水化学成分分析，以确定地下水资源的使用和保护策略。
只有采取科学的水资源管理和保护措施，才能确保地下水资源的长期稳定和可持续利用。
水文地质学基础--7地下水的化学成分及其形成作用
碳酸盐类 < 硫酸盐类 < 氯化物 常见离子在水中的相对含量与溶解性总固体（TDS）有关
溶解性总固体（g/l）
低（<1)
中(1-10)
高(10-30)
主要离子成分
HCO3-
SO42-
Cl-
Ca2+ 、 Mg2+
Ca2+ 、 Na+
Na+
地下水中主要离子成分来源
Cl- （高矿化水中主要阴离子）：
沉积盐类溶解； 岩浆岩含氯矿物（如氯磷灰石、方钠石）的风化溶解； 海水； 火山喷发物的溶滤； 人为污染。 地下水中最稳定的离子，其含量随TDS升高而增加，常可用来说
7.1 概述
地下水的化学成分是地下水与周围环境长期相互作用的产 物，它是一种重要信息源，是“化石”，研究地下水的化 学成分可以帮助我们回溯一个地区的水文地质历史，阐明 地下水的起源和形成。
地下水是地壳中元素迁移、分散与富集的载体，研究成矿 过程中地下水的化学作用，对于阐明成矿机制，完善与丰 富成矿理论有很大意义。
第7章 地下水的化学组分及其演变 （Chemical composition and chemical
actions of G.W.）
7.1 概述 7.2 地下水的化学组分（Chemical
composition of G.W.） 7.3 地下水化学成分的形成作用 （Chemical
地下水 水文地球化学
地下水水文地球化学地下水是地球上存在的一种重要的水资源，对于水文地球化学的研究有着重要的意义。
本文将从地下水的形成、组成和水文地球化学的相关研究内容进行阐述。
地下水是指位于地下的水体，主要来源于降雨和地表径流的渗透，并经过多种地质和地球化学过程的作用而形成。
地下水在地下岩石中通过孔隙和裂隙储存，并与岩石中的矿物质发生相互作用，形成了独特的水文地球化学特征。
地下水的组成主要包括水分子、溶解质和悬浮物。
水分子是地下水的基本组成部分，溶解质包括无机盐、有机物和气体等，而悬浮物则主要来自于地下岩石的颗粒物质。
地下水的组成对于水文地球化学的研究有着重要的影响。
水文地球化学是研究地下水的化学特征和地球化学过程的学科。
它主要包括地下水的水化学特征、地下水的起源和演化、地下水与岩石的相互作用等内容。
通过对地下水的水化学特征的研究，可以了解地下水的来源、地下水的运移、地下水的质量等信息，对于地下水资源的合理开发和利用具有重要的指导意义。
地下水的水化学特征主要包括pH值、电导率、溶解氧等指标。
这些指标可以反映地下水的酸碱性、盐度和含氧量等信息。
地下水的pH 值反映了地下水的酸碱性，通常在7左右为中性。
地下水的电导率反映了地下水中溶解物质的含量和种类，电导率越高，溶解物质的含量越多。
地下水的溶解氧反映了地下水中氧气的含量，溶解氧的含量越高，地下水的水质越好。
地下水的起源和演化是地下水研究的重要内容之一。
地下水的起源主要包括大气降水、地表水和地下水的补给。
地下水的演化包括地下水的成因、地下水的渗流和地下水的补给等过程。
地下水与岩石的相互作用是地下水研究的另一个重要内容，它包括地下水中溶解物质的来源和地下水与岩石的反应等过程。
地下水的水文地球化学研究在地下水资源的开发和利用中具有重要的意义。
通过对地下水的水化学特征的研究，可以了解地下水的水质状况，从而制定合理的水资源管理措施。
通过对地下水的起源和演化的研究，可以了解地下水的补给途径，从而指导地下水资源的合理开发和利用。
水文地质学基础 地下水的化学成分及其形成作用
大气降水线：GMWL与LMWL
水文地质过程的识别
87Sr/86Sr识别混合关系
放射性同位素：时钟
在确定地下水年龄上，常采用放射性同位素方法，据放射性 同位素衰变原理，利用同位素衰变方程确定地下水年龄：
同位素浓度
t 1 ln C
地下水的温度
地壳表层的热源：太阳辐射+地球内部的热流。
地壳表层按热量平衡关系分带：
变温带：地温主要受太阳辐射影响的地表极薄的地带。下限15-30 m
常温带：地温基本等于当地平均年气温的地带。通常高出大气年均温度1- 2 oC 增温带：地温主要受地球内热影响的地带。地温梯度为n oC/100m，一般为3 oC/100m， 介于1.5 -4.0 oC/100m之间。西藏羊八井地温梯度为300 oC/100m（地热异常）
TDS很高，可达300 g/L SO42-减少或消失 出现H2S、CH4、铵、氮 pH值增高 钙Ca2+含量相对增加，Na+减少，rNa/rCl < 0.85 富集Br、I，Cl/Br变小
内生水
定义：源自地球深部层圈的地下水，亦即来自地球内部 在岩浆冷却等地质作用下形成的地下水 典型化学特征不明
矿物的溶解度 岩土的空隙特征 水的溶解能力
盐类溶解与温度的关系
浓缩作用
定义：蒸发浓缩作用是地下水通过蒸发排泄而引起水中成分的 浓缩，使水中盐分浓度增大、矿化度增高的现象 必备条件： 干旱半干旱的气候 低平地势控制下的水位埋深小的 地下水排泄区 松散岩土颗粒细小，毛细作用强 具有时间和空间的尺度
在封闭还原环境，有机质与微生物参与的生物化学过程形成
火山喷发 H2S还可来自硫化矿物分解
指示意义： 封闭还原环境 H2S一般出现在深层地下水中，油田水中含量很高，常以此作 为寻找石油的间接标志SO42- → H2S
地下水的物理性质化学成分及其形成作用
❖ 4、氧的水文地球化学作用 （1）O2决定地下水的氧化还原状态，溶解氧含量
愈多,说明地下水所处的地球化学环境（氧化环境）愈 有利于氧化作用进行。从而影响水中元素的迁移。
如在含氧多的地下水中，Fe形成高价化合物而从水中 沉淀；反之，地下水中含O2少，形成低价态化合物而 易于在水中迁移。
（2）对金属材料具有侵蚀作用。如自来水管的锈蚀。 （3）影响水生动植物的生存。
自然地理与地质发展历史给予地下水的化学面貌以深刻影响。
§2 地下水的物理性质
地下水的物理性质包括水温、颜色、透明度、味道、气味、比 重、放射性、导电性。它在一定程度上反映了地下水的化学成分及其 存在的环境条件。
一、地下水的温度
水温变化范围可达100℃以上。在寒带和多年积雪地带，浅层的地下水 温可低达-5℃以下；在温带和亚热带的平原、丘陵区浅层地下水的年平均温 度一般接近于当地年平均气温；在火山活动地区及地壳深处，地下水的温度很 高 ， 可 超 过 100℃ 。 如 我 国 广 东 丰 良 地 区 在 地 下 800m 深 处 ， 打 出 了 103.5℃的热水。
①变温带特征：
❖ 处于受太阳辐射影响的地表极薄的带。 ❖ 由于太阳辐射能的周期变化,本带呈现地温的
昼夜变化和季节变化。 ❖ 地温昼夜变化影响地表以下1-2m深。年变化
影响深度一般为15-30m。
②常温、增温带的特征：
❖ 处于变温带以下一个厚度极小的地带。地温的年变化幅度＜0.1℃的 地带。
❖ 地温一般比当地年平均气温高出1一2℃，可将当地的多年平均气温 作为常温带地温。
地下水的温度主要受当地气温、地温变化的影响，尤其是地温 。
要研究地下水的温度，首先要研究地温的变化规律。
地壳表层有两个热能来源:
地下水的化学组分及其演变
人为CO2 ：工业发展造成（温室效应）
作用:
地下水中CO2越多，其溶解碳酸盐岩和对结晶岩进行风化作 用的能力越强。
ch6 地下水的化学组分及其演变
硫化氢（H2S）、甲烷（CH4） H2S来源：
硫酸盐还原：
SO4 2C 2H 2O 微生物 H2S 2HCO3
2
硫化矿物分解：
Na2CO3十H2O → 2Na十HCO3-十OH所以，在酸性火山岩地区可以形成HCO3-－Na+型水。
ch6 地下水的化学组分及其演变
5、钾离子(K+)
（1）特点： 钾离子(K+)的来源与Na+相似。在低矿化度中甚微，而在高矿化度中多。
虽然地壳中钾的含量高，且钾盐的溶解度也很大，但是因为K+容易被粘土 吸附，被植物吸收，同时参与形成难溶于水的次生矿物，所以在地下水中含量不 如Na+大。
（Ar, Kr, Xe）/ N2 ＜ 0.0118，则N2有生物或变质起源
ch6 地下水的化学组分及其演变
二氧化碳（CO2） 来源：
大气：但含量较低，工业化城区含量高。
生物：土壤有机质残骸的发酵作用与植物的呼吸作用 变质成因：地球深部高温高压下变质生成：
C CaCO3 400 CaO CO2
半透明（微浑浊）
微透明（浑浊） 不透明（极浑浊）
少量悬浮物，30~60cm水深见图像
较多悬浮物，＜30cm水深见图像 大量悬浮物，似乳状，水深很小也看不清图像
ch6 地下水的化学组分及其演变
5. 地下水的比重
取决于水中溶解盐类的数量。溶解的盐类越多，地下水的比重 越大。一般地下水的比重接近于1。利用地下水的比重特征可以判别盐 湖中盐类的沉积层位，便于分层位开采。
地下水化学形成原因
取决于水中溶解的电解质的数量和性质，即取决于各种离
子的含量和离子价。离子含量越多，价数越高，则水的导电性
越强。此外，温度也影响导电性。
7、水的放射性 取决于水中放射性物质的含量，大多数地下水都具 有放射性，但其含量微弱。放射性矿床与酸性火成岩地 区的地下水具有较高的放射性。利用水中放射性突然增 强可以寻找放射性矿藏。
常温带深度 1－2m，昼夜变化 10－30m，地温年变化只有0.1℃
•常温带：是变温带以下一个极簿的地带。地温一般比当地年
平均气温高出1~2℃，粗略计算时可视为当地的年平均气温。
• 增温带：受地球内部热流控制。随深度增加而温度升高。用
地温梯度或地温增温率表示。
二、主要的化学性质
1、总溶解固体（TDS）（矿化度）
鉴别特征 无悬浮物、胶体，＞60cm水深见图像 少量悬浮物，30~60cm水深见图像 较多悬浮物，＜30cm水深见图像
大量悬浮物，似乳状，水深很小也看不清图像
5、地下水的比重
取决于水中溶解盐类的数量。溶解的盐类越多，地下水的
比重越大。一般地下水的比重接近于1。利用地下水的比重特征
可以判别盐湖中盐类的沉积层位，便于分层位开采。
地下水中所含种离子、分子与化合物的总量。(g/L）
习惯上以105 ℃—110℃时将水干所得的涸残余物总量。 因此（1） 计算时挥发性成分不计入；
（2） HCO3-只取重量的半数 。
最好还是采用直接将化学分析所得全部离子量、分子量及化合物量 相加的方法来计算。
地下水按TDS的分类表
地下水类型 淡水 微咸水 咸水
（5）揭示地下水的地质作用规律，实现水质找矿
（6）提取化工原料 （7）医疗用水、地方病
地下水化学成分的形成与特征
目前，概念尚未统一，分类原则各异，名词术 语较多
按照地下水化学成分形成的基本作用，可分为： 外生水
溶滤-渗入水 沉积-埋藏水
内生水
地下水基本成因类型
溶滤-渗入水 大气起源，溶滤作用
沉积-埋藏水 封闭地质构造较环境中 经历了3个演化阶段
挤压阶段：淤泥、粘土中的沉积水受挤 压进入含水层
大气中的CO2 有机物的腐败和被氧化，根系植物的呼吸 嫌氧下硫酸盐、硝酸盐还原
DO与黄铁矿、锰结核等矿物作用是酸性物质的来源之一 土壤的生物化学作用产生许多有机酸
土壤的氧化还原条件改变金属元素的价态
二、植物-土壤影响阶段
经过植物-土壤的地下水的特征
相对于原生铝硅酸盐，未达到饱和状态，即具有强溶解 能力；
含有数量可观的碳酸类化合物，未被氧化的有机化合物 的进一步分解将使水中碳酸化合物含量进一步提高。
上述两点决定了地下水具有很强的与围岩介 质发生反应的能力。
三、水-岩相互作用阶段 溶滤作用
水与岩石的相互作用取决于
盐类的性质； 水的成分； 环境的热力学条件
水-岩地球化学作用类型
溶解作用 氧化还原作用
表生带地下水具有分带性规律
水文地球化学分带性——地下水化学成分在空间变化的规 律性，表现为自然地理上的水平分带，地质上的垂直分带
类 析 出
Na, K的氯化物
顺 序
Mg的氯化物
Na, K和Ca的硝酸盐
地 硅酸-重碳酸盐水
下
水 重碳酸钠钙水
化
学 成
苏打水
分
变 化
Na2SO4型水
Cl-Na水和Cl-Na-Ca水
表生带地下水化学成分特征
表生带的概念
水文地质学基础：地下水化学成分的形成作用
2.3地下水化学成分的形成作用地下水主要来源于大气降水，其次是地表水（河、湖、彻等）。
这些水在进人含水层之前，已经含有某些物质，与岩土接触后再进一步发生各种物理化学及生物作用，使地下水的化学成分发生进一步变化。
使地下水化学成分发生变化的各种作用，称为地下水化学成分的形成作用。
2.3.1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，这就是溶滤作用。
溶滤作用的结果，使岩土土失去一部分可溶物质，地下水则补充了新的组分。
实际上，当矿物岩类与水溶液接触时，同时发生两种方向相反的作用：溶解作用与结晶作用。
溶滤作用的强度，即岩土中的组分转入水中的速率，取决于一系列因素。
首先，取决于组成岩土的矿物盐类的溶解度。
显然，含岩盐沉积物中的NaCl将迅速转入地下水中，而以SiO2为主要成分的石英岩，是很难溶于水的。
其次，岩土的空隙特征是影响溶滤作用的另一因素。
缺乏裂隙的致密基岩，水难以与矿物盐类接触，溶滤作用也便无从发生。
第三，水的溶解能力决定着溶滤作用的强度。
水对某种盐类的溶解能力随该盐类浓度增加而减弱。
某一盐类的浓度达到其溶解度时，水对此盐类便失去了溶解能力。
因此，总的来说低矿化水溶解能力强而高矿化水溶解能力弱。
第四，水中CO2、O2等气体成分的含量决定着某些盐类的溶解能力。
水中CO2含量愈高，溶解碳酸盐及硅酸盐的能力愈强。
水中O2的含量愈高，溶解硫化物的能力愈强。
最后，水的流动状况是影响其溶解能力的一个关键因素。
流动停滞的地下水，随着时间的推移，水中溶解盐类增多，CO2、O2等气体耗失，最终将失去溶解能力，溶滤作用便告终止。
地下水流动迅速时，含有大量CO2和O2的低矿化度的大气降水和地表水，不断入渗更新含水层中原有的溶解能力降低了的水，地下水便经常保持强的溶解能力，岩土中的组分不断向水中转移，溶滤作用便持续地进行。
由此可知，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。
溶滤作用是一种与一定的自然地理与地质环境相联系的历史过程。
水文地质学 地下水的化学成分及其形成作用课件
9.2.3 地下水中的其它成分
▪ 除了以上主要离子成分外，地下水还有一些次要离子， 如H+、Fe2+、Fe3+、Mn2+、NH4+、OH-、N02-、NO3-、 C032-、SiO32-及PO43-等。 ▪ 地下水中的微量组分，有Br、I、F、B、Sr等。 ▪ 地下水中以未离解的化合物构成的胶体，主要有 Fe(OH)3、Al(OH)3及H2Si03等，有时可占到相当比例。
9.4.5 阳离子交替吸附作用
▪ (1) 阳离子交替吸附作用 ▪ 岩土颗粒表面带有负电荷，能够吸附阳离子。一定条件下，颗 粒将吸附地下水中某些阳离子，而将其原来吸附的部分阳离子转 为地下水中的组分，这便是阳离子交替吸附作用。 ▪ 不同的阳离子，其吸附自大而小顺序为：H+>Fe3+>Al3+>Cl>Mg2+>K+>Na+。离子价愈高，离子半径愈大，水化离子半径愈 小，则吸附能力愈大。H+则是例外。 ▪ 当含Ca2+为主的地下水，进入主要吸附有Na+的岩土时，水中 的Ca2+便置换岩土所吸附的一部分Na+，使地下水中Na+增多而Ca2+ 减小。
9.3 地下水的温度
▪地壳表层有两个热能来源：一个是太阳的辐射，另一是来 自地球内部的热流。地壳表层可分为变温带、常温带及增温 带。 ▪(1) 变温带 ▪受太阳辐射影响的地表极薄的带。呈现地温的昼夜变化和 季节变化。变温带的下限深度一般为15-30m。此深度地温 年变化小于0.1℃。 ▪(2) 常温带 ▪地温一般比当地年平均气温高出1-2℃。在粗略计算时，可 将当地的多年平均气温作为常温带地温常温带。
水文地质学基础 地下水的化学成分及其形成作用
溶解度大，随矿化度增大，含量增大 在水中最为稳定：不为植物和细菌摄取，不被土壤颗粒表面吸附，水
中迁移能力强
硫酸根SO42-
SO42- 的来源
（黄铁矿）
沉积岩盐类、石膏的溶解
金属硫化物的氧化（煤系地层）
火山喷发
人类活动 产生SO2
“酸雨”
SO42- 的特点 • 水中迁移能力很强，但次于Cl-
大气降水线：GMWL与LMWL
水文地质过程的识别
87Sr/86Sr识别混合关系
放射性同位素：时钟
在确定地下水年龄上，常采用放射性同位素方法，据放射性 同位素衰变原理，利用同位素衰变方程确定地下水年龄：
式中：
C0 为补给时放射性同位素浓度（也称输入函数) C为计算时放射性同位素浓度
t 1 ln C
特点：含量通常较Na+低；高TDS水中含量较多 为植物摄取 参与形成不溶于水的次生矿物（水云母、蒙脱石、绢云母等）
来源
Na+
沉积岩中岩盐的溶解（钠盐） 岩浆岩和变质岩的风化溶解 海水
酸性岩浆岩区常形成Na-HCO3型水 水中阳离子以Na+为主时，HCO3-浓度可超过与Ca2+伴生时的上限
何为同位素
Co
不同定年方法适用的时间尺度
放射性同位素也可用于示踪
其它组分
次要离子：包括H+、Fe2+、Fe3+、Mn2+、NH4+、OH-、 NO2-、NO-、CO32-、SiO32-、PO43-等 微量组分：Br、I、F、B、Sr等 胶体：Fe(OH)3、Al(OH)3、H2SiO3 有机质：可增加地下水的酸度，有利于还原 微生物：① 氧化环境：硫细菌、铁细菌等；②还原环境： 脱硫酸细菌等；③ 污染水：致病细菌
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。
工学水文地质学地下水的化学成分及其形成作用
HF SO2 Cl2
放射性和核反应来源的气体 He(氦) Rn（氡）
chd-qw
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1.氧和氮
①来源：
主要来自大气，随大气降水和地表水的入渗一起进入地下；也 有生物来源；对氮还有化学来源。
②影响氧含量的因素：
(1)淡水含量高。氧在水中的溶液度较大，在15℃、 101324 .62Pa（一个大气压 ）下，每升蒸馏水可溶解氧 10.06mg（7.04cm3/l）。
§ 5.3.1 主要气体成分
地下水中气体含量尽管很少，但对其研究：
①可以帮助弄清地下水赋存的环境；
②对其它组分的存在影响很大。
地下水中的气体成分：
空气来源 N2 O2 CO2 Ne(氖) Ar（氩）
生物来源 CH4 CO2 N2 H2S H2 O2
化学来源
CO2 H2S H2 CH4 CO N2 HCl
chd-qw
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一个大气压下，温度与氧含量的关系：
温度℃
氧含量
mg/l
cm3/l
0
14.56
10.19
10
11.25
7.87
15
10.06
7.04
20
9.09
6.36
chd-qw
15
③反映的环境：地下水中氧的多少，表明了地下水
所处的氧化还原的环境。O2较N2活泼的多，当处在封 闭环境中或水源被有机物污染时，由于氧化作用，溶 液氧很快被消耗，当得不到补充时，氧缺少；厌氧细 菌繁殖并活跃起来，有机物质发生腐败作用，使水源 产生臭气。
17
2.H2S
水中的H2S气体具有臭鸡蛋味。 ①来源：主要来自硫酸盐的还原，另外可来
自火山喷发气体的析出。
第7章 地下水的化学成分及其形成作用
形成以上主要离子成分的原因：
（1）地壳中含量较高，且易溶于水：O2、Ca、Mg、Na、K （2）地壳中含量不高，但极易溶于水：Cl-、SO42（3）地壳中含量很高，但难溶于水的，地下水中含量不高：Si、 Al、Fe
主要离子成分与矿化度（总溶解固体）之间的对应关系：
（1） 低矿化度：以 HCO3-、 Ca2+、Mg2+ 为主 （2）中矿化度： 以SO42-、 Na+、 Ca2+ 为主 （3）高矿化度： 以Cl-、 Na+为主 盐类溶解度： 氯盐 > 硫酸盐 > 碳酸盐 Ca2+、 Na+ > Ca2+、Mg2+
8、 温度
利用高温热水可以发电、取暖、灌溉，温泉水可用来医治 疾病。
水温的变化是影响水的化学成分、水化学作用的重要因素。 水交替缓慢时温度与地温一致，并取决于：太阳辐射热能、 地球内部热流 。
地壳按热力状态从上而下分为变温带、常温带和增温带。
• 变温带：受太
阳辐射热能影响， 呈昼夜变化与季 节变化。昼夜变 化只影响地表以 下1~2m深度。变 温带的下限为 15~30m。
一、主要的物理性质 1、 地下水颜色与其中物质关系表
水中物 质 硬 水 低价 铁 高价 硫化 硫细 铁 氢 菌 锰 腐殖酸
悬浮物 悬浮物 （碳质等 （粘土等 暗色矿物）浅色矿物）
水的 颜色
浅 蓝
浅绿 灰
黄褐 翠绿 红色
暗 红
暗黄、 灰黄
浅灰
浅黄、无 萤光
2、 地下水的气味（嗅）
地下水一般无气味，若含有H2S气体，水有臭鸡蛋气味；含 Fe2+，水有锈味，即“墨水味”；含腐殖质，有腐草味或淤泥 臭味。 水中气味强弱与水温有关，常温时不显，若将水加热到 40~60℃时，气味显著。
第七章地下水的化学组分及其演变
7．3 地下水中的微生物
地下水中普遍分布微生物，不仅出现于地表以下到数千米深 处，并且出现于洋脊底部富含矿质的高温流体喷口——“黑 烟囱”。 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。
7．4 地下水的温度
地壳表层有两个热能来源：一个是太阳的辐射，另一个是来 自地球内部的热流。 地壳表层可分为3个带： 1）变温带：受太阳辐射影响，地温昼夜变化与季节变化； 2）常温带：地温一般比当地年平均气温高出１~2℃； 3）增温带：地温受地球内热影响，通常随深度加而有规律 地升高。
7．2 地下水化学特征
2）SO42 中等矿化的水中，SO42常成为含量最多的阴离子。 来源： ① 含石膏（CaSO4·2H2O）或其它硫酸盐的沉积岩的溶解； ② 硫化物的氧化：
2FeS2 （黄铁矿） +7O2+2H2O→2FeSO4+4H++2SO42 特点： ① 煤系地层常含有很多黄铁矿，因此流经这类地层的地下 水化学成分往往以SO42为主； ② 金属硫化物矿床附近的地下水中也常含有大量的SO42。
３．脱碳酸作用 水 便成中为CO游2的离溶CO解2从度水随中温逸度出升，高这及便(或是)压脱力碳降酸低作而用减。小。一部分CO2
Ca2+2HCO3→CO2↑+H2O+CaC2O+MgCO3↓ 结果： ① 地下水中HCO3及Ca2、Mg2减少； ② TDS降低。
7．5 地下水化学成分形成作用
２．浓缩作用 干旱半干旱地区的平原与盆地的低洼处，地下水位埋藏不深， 蒸发成为地下水的主要排泄去路。 浓缩作用必须同时具备下述条件： ①干旱或半干旱的气候； ②有利于毛细作用的颗粒细小的松散岩土； ③低平地势下地下水位埋藏较浅的排泄区。
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7．2 地下水化学特征
地下水中含有各种气体、离子、胶体、有机质以及微生物。 1．地下水主要气体成分 O2 、N2 、CO2 、CH4 、H2S等。尤其以前三种为主。 1）O2 、N2 地化独下存环水在境，中。的通在O常相2可对、说封N2明闭主地的要下环来水境源起中于源，大于O气大2。将气溶耗并解尽处氧而于含只还量留原多下环，N境2说。。明因地此下，水N处2的于氧单 2）H2S 、CH4 地下水中出现H2S、CH4 ，这是微生物参与的生物化学作用的结果 3）CO2 地量应下用水，中使的大CO气2主中要人来为源产于生土的壤CO。2明化显石增燃加料。（煤、石油、天然气）的大 地下水中含CO2愈多，溶解某些矿物组分的能力愈强。
地下水中存在多种同位素，最有意义的是氢(1H、2H、3H)， 氧(16O、17O、18O)，碳(12C、13C、14C).。
氘(2H或D)及氧-18(18O)是常见氢氧稳定同位素，由于质量不 同，在转化时发生分馏。例如，蒸发时重同位素(2H、18O) 不易逸出，在液态水中相对富集；凝结时，液态水中也富集 重同位素。因此，降水中氢氧重同位素丰度的分布存在多种 效应。
7．2 地下水化学特征
2．地下水主要离子成分 溶解性总固体：溶解性总固体是指溶解在水中的无机盐和有机物的总称 (不包括悬浮和溶解 气体等非固体组分)，用缩略词TDS表示。单位： mg/L或g/L 总矿化度(矿化度)是指溶于水中的离子、分子与化合物的总和。单位： g/L或mg/L 。 现已经采用溶解性总固体代替总矿化度。 按溶解性总固体含量(g/L)，将地下水分类如下： 淡水<1； 微咸水：1～3； 咸水：3～10； 盐水：10～50； 卤水：>50。
7．2 地下水化学特征
3）HCO3 几乎总是低TDS水的主要阴离子成分。 来源： ① 含碳酸盐的沉积盐与变质岩（如大理盐）：
CaCO3+H2O+CO2→2HCO3+Ca2+ MgCO3+H2O+CO2→2HCO3+Mg2+ ② 岩浆岩与变质岩地区，HCO3主要来自铝硅酸盐矿物的风化溶解。 4）Na+ 在高TDS水中是主要的阳离子。 来源： ① 沉积岩中岩盐及其它钠盐的溶解； ② 海水； ③ 在岩浆岩和变质岩地区，则来自含钠矿物的风化溶解； ④以N酸a+性及岩HC浆O岩3为中主有的大地量下含水钠。矿物，如钠长石，在CO2和H2O的参与下，将形成低TDS
第七章 地下水的化学组分及其演变
7．1 概 述 7．2 地下水化学特征 7．3 地下水中的微生物 7．4 地下水的温度 7．5 地下水化学成分形成作用
7．1 概 述
地下水不是化学纯的H2O，而是一种复杂的溶液。 赋存于岩石圈中的地下水，不断与岩土发生化学反应，在与 大气圈、水圈和生物圈进行水量交换的同时，交换化学成分。 人类活动对地下水化学成分的影响，虽然只是悠长地质历史 的一瞬间，然而，已经深刻改变了地下水的化学面貌。 地下水水质的演变具有时间上的继承性，自然地理与地质发 展历史给予地下水的化学面貌以深刻影响；因此，不能从纯 化学角度，孤立、静止的研究地下水的化学成分及其形成， 而必须从水与环境长期相互作用的角度出发，去揭示地下水 化学演变的内在依据与规律。
7．2 地下水化学特征
１）Cl 在地下水中广泛分布，但在低TDS水中，一般含量仅数毫克/升到数十毫克/升，高 TDS水中可达数克/升乃至100克/升以上。 来源： ① 沉积岩中岩盐或其他氯化物的溶解； ② 岩浆岩中含氯矿物的风化溶解； ③ 海水补给地下水，或者海风将细滴的海水带到陆地； ④ 火山喷发物的溶滤； ⑤ 人为污染：生活污水及粪便中含有大量Cl，因此，居民点附近的地下水TDS不高， 但是Cl含量相对较高。 特点： ① Cl不为植物及细菌所摄取，不被土粒表面吸附，因此， Cl是地下水中最稳定的 离子； ② Cl含量随着TDS增大而不断增加，因此，Cl的含量常可用来说明地下水化学演变 的历程。
氚(3H)及碳-14(14C)是常见的放射性同位素，可以测定地下水 平均贮留时间(年龄)，测年范围分别为50-6他成分 除了以上主要离子成分外，地下水还有一些其他成分： 1）次要离子：H+、Fe2+、Fe3+、Mn2+、NH4+、OH、NO2、 NO3、CO32、SiO32、PO43等； 2）微量组分：Br、I、F、Ba、Li、Sr、Se、Co、Mo、Cu、 Pb、Zn、B、As等； 3）胶体：Fe(OH)3、Al(OH)3、H2SiO3等； 4）有机化合物。
7．2 地下水化学特征
5）K+ 高TDS水中较多。 来源： 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。 虽然在地壳中K的含量与Na相近。但是，在地下水中K+的含量比Na+少得多。原因是： ① K+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。 6）Ca2+ 是低TDS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。
7．2 地下水化学特征
2）SO42 中等矿化的水中，SO42常成为含量最多的阴离子。 来源： ① 含石膏（CaSO4·2H2O）或其它硫酸盐的沉积岩的溶解； ② 硫化物的氧化：
2FeS2 （黄铁矿） +7O2+2H2O→2FeSO4+4H++2SO42 特点： ① 煤系地层常含有很多黄铁矿，因此流经这类地层的地下 水化学成分往往以SO42为主； ② 金属硫化物矿床附近的地下水中也常含有大量的SO42。
7．2 地下水化学特征
地K下、水Ca中2、分M布g最2。广、含量较多的离子共七种：Cl、SO42、HCO3、Na、 低TDS水：HCO3、Ca2+、Mg2+为主； 中TDS水：SO42、Na+、Ca2+为主； 高TDS水：Cl、Na+为主。 地下水的TDS与离子成分之所以具有这种对应关系，主要原因是水中盐 类的溶解度不同。
7．2 地下水化学特征
７）Mg2+ 来源： ① 含镁的碳酸盐类沉积岩（白云岩、泥灰岩）； ② 岩浆岩、变质岩中含镁矿物的风化溶解。 Mg2+在低TDS水中通常含量较Ca2+少。 部分原因是由于地壳组成中Mg2+比Ca2+少；碱性岩浆岩中的 地下水，含Mg2+较高。
7．2 地下水化学特征
3．地下水中的同位素组成