[理学]5地下水的物理化学性质

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5.4地下水化学成分的形成作用
• 5.4.1溶滤作用
• 溶滤作用是指地下水与岩土相互作用、岩土中一部分物 质转入到地下水中的作用。地下水与岩石相互作用使岩 石中一部分可溶成分转入水中，而不破坏矿物结晶格架 的作用。
• 水解作用是地下水与岩石相互作用成岩矿物的晶格中发 生阳离子被水中氢离子取代的过程。
• ① 组成岩土的矿物盐类的溶解度，盐岩NaCl易溶， SiO2难溶解；
• ② 岩土的空隙特征：致密基岩，水与矿物难以接触， 难溶滤。
• ③ 水的溶解能力：低矿化水的强，高矿化水的弱；决 定着溶滤作用的强度。
• ④ 水中CO2、O2等气体成分的含量，决定着某些盐类的 溶解能力，有易形成HCO3-、SO42-，有O2易溶解硫化物。
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5.2地下水的化学成分
• 二氧化碳（CO2）：作为地下水补给源的降水和 地表水虽然也含有CO2，但其含量通常较 低。地 下水中的CO2 主要来源于土壤。有机质残骸的发 酵作用与植物的呼吸作用使土壤中源源不断产生 CO2，并溶入流经土壤的地下水中。含碳酸盐类 的岩石，在深部高温下，也可以变质生成CO2： CaCO3→CaO+CO2因此，在少数情况下，地下水 中可能富含CO2 甚至高达1g/L 以上。地下水中含 CO2 愈多，其溶解碳酸盐岩与对结晶岩进行风化 作用的能力便愈强。
第五章 地下水的物理化学性质
• 5.1 地下水的物理性质 • 5.2地下水的化学成分 • 5.3地下水的化学特征 • 5.4地下水化学成分的形成作用 • 5.5地下水化学成分的基本成因类型 • 5.6地下水化学成分的分析内容与分类图示
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5.1 地下水的物理性质
• 一般指：温度、颜色、透明度、味、比重、导电性、 放射性等
的含量 ➢ 3.永久硬度：沸腾后，仍然留在水中Ca2+、Mg2+的含量 ➢ 表示的方法：mg/L（以CaO）、meq/L和德国度
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• 毫克当量数系一升水 中含Ca2+、Mg2+的毫
克当量总数，可直接
由水分析结果得出。
一个德国度相当于一 升水中含10mgCaO或 7.2mgMgO。故lmg当 量硬度=2.8H。知道了 Ca2+、Mg2+的毫克当 量数，乘以2.8，即 可换算为德国度。
• 一般情况下，随着总矿化度(总溶解固体)的变化，地下水中占主 要Ca地2+、位M的g离2+为子主成；分高也矿随化，水之则发以生C变l－化及。N低a+矿为化主水；中中常等以矿H化C的O地3－下及 水以中是，Ca阴2+。离子常以SO4２—为主，主要阳离子则可以是Na+，也可
• 地下水的矿化度与离子成分间之所以往往具有这种对应关系，一 个主要原因是水中盐类的溶解度不同。
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• 除了时间上的阶段性，溶滤作用还显示 空间上的差异性。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，地下径流与 水交替愈迅速，岩层经受的溶滤便愈充 分，保留的易溶盐类便愈贫乏，地下水 的矿化度愈低，难溶离子的相对含量也 就愈高。
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5.4地下水化学成分的形成作用
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5.1 地下水的物理性质
•味
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5.2地下水的化学成分
• 地下水中含有各种气体、离子、胶体物质、有 机质以及微生物等。
• 4.2.1 地下水中主要气体成分
• 氧（O2）、氮（N2）：地下水中的氧气和氮气 主要来源于大气。它们随同大气降水及地表水 补给地下水，因此，以入渗补给为主、与大气 圈关系密切的地下水中含O2 及N2 较多。
中性水
pH值 <5 5～7 7
地下水类型 弱碱性水 强碱性水
pH值 7～9 >9
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5.4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、海）。这些水在进入含水层之前，已经含有 某些物质，与岩土接触后进一步发生变化。
• 靠近海岸处的大气降水。Na+和C1-含量较高（这 时可出现低矿化的以氯化物为主的水）。内陆的 大气降水混入尘埃，一般以Ca2+与HCO３-为主。 初降雨水或干旱区雨水中杂质较多，而雨季后期 与湿润地区的雨水杂质较少。大气降水的矿化度 一般为0.02—0.05g/L。边与干旱区较高，分别可 达0.1g/L 及n×0.1g
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5.2地下水的化学成分
• 溶解氧含量愈多，说明地下水所处的地球
化学环境愈有利于氧化作用进行。O2 的化 学性质远较N2 为活泼，在较封闭的环境中， O2 将牦尽而只留下N2。因此，N2 的单独存 在，通常可说明地下水起源于大气并处于
还原环境。大气中的惰性气体(Ar、Kr、Xe)
与N2 的比例恒定，即：(Ar+Kr+Xe)／N2＝ 0.0118。比值等于此数，说明N2 是大气起 源的；小于此数，则表明水中含有生物起
的风化溶解。
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5.2地下水的化学成分
• （3）地下水中的钙离子Ca2+来源 • ① 碳酸盐岩、石膏的溶解； • ② 含钙矿物的风化溶解。 • （4）地下水中的镁离子Mg2+来源 • ① 含镁的白云岩、泥灰岩的溶解； • ② 含镁矿物的风化溶解。
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5.2地下水的化学成分
• 微量组分：Br、I、F、B、Sr等。
• 5.4.2 蒸发浓缩作用
• 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：①干旱半干旱的气候，②低平地势 控制下的地下水位埋深小，③松散岩土颗粒细 小，毛细作用强，④一般发生于地下水流动系 统的排泄处，⑤具有时间和空间的尺度。
水的类别
极软水 软水 微硬水 硬水 极硬h 水
硬度 meq／L H0
<1.5 1.5～3 3～6 6～9
>9
<4.2 4.2～8.4 8.4～16.8 16.8～ 25.2 >252.22
5.3地下水的化学特征
➢ （三）酸碱性 ➢ 按pH值，地下水分为： ➢ （四）侵蚀性
地下水类型 强酸性水 弱酸性水
• 温度
• 温度受气温和地温的影响，主要受地温影响
• 地壳从上到下分为变温带、常温带、增温带
• 常温带的温度和年平均气温相同
• 地热增温级：温度每增加1℃所需的深度，一般为
33m/ ℃
• 地下水的温度和地温相适应
TH
TB
Hh G
• 地下水分为：过冷水、冷水、温水、热水、过热水
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5.1 地下水的物理性质
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5.2地下水的化学成分
• 地下水中的主要阳离子来源 • （1）地下水中的钾离子K+来源 • 参与形成不溶于水的次生矿物（水云母、蒙脱
石、绢云母等），为植物摄取，在地下水中的 含量低。
• 来源： • ① 钾岩的溶解；② 含钾矿物的风化溶解。 • （2）地下水中的钠离子Na+来源 • ① 盐岩、钠岩的溶解；② 海水；③ 含钠矿物
• 总的说来，氯盐的溶解度最大，硫酸盐次之，碳酸盐较小。钙的 硫酸盐，特别是钙、镁的碳酸盐，溶解度最小；随着矿化度增大， 钙、镁的碳酸盐首先达到饱和并沉淀析出，继续增大时，钙的硫 酸盐也饱和析出，因此，高矿化水中便以易溶的氯和钠占优势了 （由于氯化钙的溶解度更大，因此在矿化度异常高的地下水中以 氯和钙为主）。
➢ 一般用105～110℃蒸干后所得干涸残余物的 重量，以g/L表示
➢ 按总矿化度地下水分为：
地下水类型
淡水 微咸水 咸水
（g/l）
<1 1～3 3～10
主要 离子 HCO3SO42SO42-
地下水类型 盐水 卤水
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（g/l）
10～50 >50
主要 离子 ClCl-
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5.3地下水的化学特征
➢ （二）硬度（重点） ➢ 用来表示地下水中Ca2+、Mg2+含量的指标，分为： ➢ 1.总硬度：地下水中所有Ca2+、Mg2+的总含量 ➢ 2.暂时硬度：沸腾后，形成碳酸盐沉淀而失去的Ca2+、Mg2+
• 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。
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5.3地下水的化学特征
➢ （一）总矿化度
➢ 总矿化度：地下水中的离子、分子和微粒 （不包括气体）的总含量，以g/L表示
• ②NaA岩lS浆iO岩4·含Na氯CL矿的物风氯化磷溶灰解石；Ca5(PO4)3Cl、方钠石 • ③ 火山喷发物的溶滤；
• ④ 海水；
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• ⑤人为污染：工业、生活污水和粪便。
5.2地下水的化学成分
• （2）地下水中的硫酸根离子SO42-来源 • ① 石膏CaSO4·2H2O、沉积硫酸盐岩的溶解；硫化物的
• 当溶液达到饱和时溶液中某种盐类的含量称为溶解度。 温度上升时，溶解度增大。
• 一个地区经受的溶滤愈强烈，时间愈长久，地下水的矿
化度愈低，愈是以难溶离子为其主要成分。溶滤作用具
有时间上的阶段性和空间上的差异性。
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5.4地下水化学成分的形成作用
• 溶滤作用的强度是岩土中的组分转入水中的速率。其大 小取决于：
• （3）地下水中的重碳酸根离子HCO3-来源 • ① 碳酸盐岩的溶解：
Ca/MgCO3+H2O+CO2→2HCO3-+Ca2+/Mg2+； • ② 岩浆岩、变质岩地区铝硅酸盐矿物风化溶解