水文地质学基础
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第1节 地下水的化学成分
硫化氢（H2S）、甲烷（CH4） 这两种气体都是在较封闭环境中，在有机质与微生物参 与的生物化学过程中形成。 H2S来源：硫酸盐还原：
• 硫化矿物分解： •火山喷发 •H2S和CH4的存在表明还原环境 •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。
•K+大量参与形成不溶于水的次生矿物；
•易被植物吸收。
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第1节 地下水的化学成分
钙离子（Ca2+） 来源： 碳酸盐类沉积物的溶解 岩浆岩、变质岩中含钙矿物的风化溶解 •含量 • 低矿化水中为主要阳离子，一般不超过数百 mg/L • 高矿化水中含量显著增大，但仍低于Na+的 含量。
SiO2+CaCO3---CaSiO3+CO2
❖ 人类活动：在化石燃料（煤、石油、天然气），导致大气中的
CO2增加，（增长20%）
•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。
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第1节 地下水的化学成分
地下水中气体成分的意义：
❖ 气体成分——指示地下水所处的地球化学环境
氧化环境—oxidation 还原环境—deoxidation
❖ 气体成分—可以增加水对盐类的溶解能力
促进水→岩的化学反应，相互作用
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第1节 地下水的化学成分
地下水中的主要离子成分
水中离子成分主要取决于：
①元素的丰度（克拉克值)：某元素在地壳化学成分中的 重量百分比； ②元素组成的化合物在水中的溶解度
质等。
第六章 地下水的化学成分及其 形成作用
水是岩石中元素迁移、分散与富集的载体。研究
许多地质作用时都不能不涉及地下水的化学作用。
不同的用水目的在利用地下水时，对水的质量有
一定要求 （如：饮用水、锅炉用水、地下水对混凝土的侵
蚀性等）
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
www.themegallery.com
水文地质学基础
General Hydrogeology
--主讲：李明辉
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第六章 地下水的化学成分及其 形成作用
第1节 地下水的化学成分 第2节 地下水的主要物理、化学性质 第3节 地下水化学成分的形成作用 第4节 地下水化学成分的基本
成因类型 第5节 地下水化学成分的分类图示 第6节 地下水的水质评价
地wk.baidu.com中主要元素有哪些？
地壳中丰度较高的元素：Si、Al、Fe （地下水中低） 地壳中丰度较低的元素：Cl、S、C （地下水中高）
地下水中主要离子有：
Anion 阴离子：HCO-3、SO2-4、ClCation 阳离子：Ca2+、Mg2+、K+、Na+
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第1节 地下水的化学成分
氯离子（Cl-） •来源：
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第1节 地下水的化学成分
重碳酸根离子（HCO3-） •来源 •来自含碳酸盐的沉积岩与变质岩（如大理岩）
• CaCO3+ H2O+CO2→2HCO3-+Ca2+ • MgCO3+ H2O+CO2→2HCO3-+Mg2+
•岩浆岩与变质岩地区，主要来自铝硅酸盐矿物的风 化溶解 Na2Al2Si6O16+2CO2+3H2O → 2HCO3-+2Na++H4Al2Si2O9+4SiO2 •特点 •含量一般不超过1g/L，在低矿化水中为主要阴离子。
❖SO2-4 → H2S，成煤过程，煤田水 成油过程，油气藏，油田水
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第1节 地下水的化学成分
二氧化碳（CO2） •来源： 大气降水中的CO2含量较低，地下水中CO2主要源于
❖ 土壤层（入渗过程溶于水中）：有机质残骸发酵产生、植物呼 吸作用产生
❖ 碳酸盐岩地层：在深部高温下，也可变质生成CO2
❖ CaCO3---CaO+CO2
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第六章 地下水的化学成分及其 形成作用
地下水不是纯的H2O，而是天然溶液，含有各种组分。 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。
物理性质：温度、颜色、嗅、味、密度、导电性、
放射性。
化学性质：气体成分、离子成分、胶体物质、有机
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第1节 地下水的化学成分
•判别： •O2与N2共存---来源于大气并处于氧化环境
大气圈随降水入渗进入含水层中，如富含O2与N2 ——说明地下 水是大气起源的，氮还有生物起源与变质起源
•N2单独存在---来源于大气并处于还原环境 在封闭环境下，氧被耗尽只剩下N2，指示水是大气起源且
处于封闭环境 •大气中惰性气体（Ar, Kr, Xe）与N2的比值： •（Ar, Kr, Xe）/ N2 = 0.0118 ， 则N2是大气起源 •（Ar, Kr, Xe）/ N2 ＜ 0.0118，则N2是生物或变质起源
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第1节 地下水的化学成分
钠离子（Na+）
•含量：在低矿化水中的含量一般很低，仅数毫克/ 升到数十毫克/升，但在高矿化水中则是主要的阳离 子，其含量最高可达数十克/升。
•来源：
•沉积岩中岩盐及其它钠盐的溶解；
•海水
•岩浆岩和变质岩地区，来自含钠矿物风化溶解。
钾离子（K+）
•来源与Na+相近
•地下水中含量远低于Na+含量。原因有：
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第1节 地下水的化学成分
•特点： •水迁移能力很强； •含量变化幅度大：数mg/L~数百 g/L 一般岁TDS的增加而有所提高。
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第1节 地下水的化学成分
硫酸根离子（SO42-） •来源 •含石膏（CaSO4•2H2O）或其它硫酸盐的沉 积岩的溶解 ； •硫化物的氧化 2FeS2+7O2+2H2O→2FeS4+4H++2SO42•特点 •水迁移能力很强，但次于Cl-； •含量由数mg/L~数十g/L。
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第1节 地下水的化学成分
主要的气体成分
常见的有O2、 N2、CO2、CH4 及 H2S
常见气体成分与地下水所处环境和地下水来源有关 氧（O2）、氮（N2）
•来源： •主要来源于大气 ： O2占20.95%， N2占78.09% •生物化学作用：微生物分解有机物与矿物盐类 •水生植物的光合作用放出O2 •变质作用：岩石在高温高压下影响下可生成。
•与其相关的各种原岩的风化溶解。如 沉积岩中所含岩盐或其它氯化物的溶解； 岩浆岩中含氯矿物[氯磷灰石Ca5（PO4）3 Cl、
方钠石NaAlSiO4 NaCl]的风化溶解。 •来自海水：海水补给地下水，或者来自海面的风 将细沫状的海水带到陆地，使地下水中Cl-增多； •火山喷发物的溶滤 ； •人为污染
第1节 地下水的化学成分
硫化氢（H2S）、甲烷（CH4） 这两种气体都是在较封闭环境中，在有机质与微生物参 与的生物化学过程中形成。 H2S来源：硫酸盐还原：
• 硫化矿物分解： •火山喷发 •H2S和CH4的存在表明还原环境 •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。
•K+大量参与形成不溶于水的次生矿物；
•易被植物吸收。
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第1节 地下水的化学成分
钙离子（Ca2+） 来源： 碳酸盐类沉积物的溶解 岩浆岩、变质岩中含钙矿物的风化溶解 •含量 • 低矿化水中为主要阳离子，一般不超过数百 mg/L • 高矿化水中含量显著增大，但仍低于Na+的 含量。
SiO2+CaCO3---CaSiO3+CO2
❖ 人类活动：在化石燃料（煤、石油、天然气），导致大气中的
CO2增加，（增长20%）
•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。
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第1节 地下水的化学成分
地下水中气体成分的意义：
❖ 气体成分——指示地下水所处的地球化学环境
氧化环境—oxidation 还原环境—deoxidation
❖ 气体成分—可以增加水对盐类的溶解能力
促进水→岩的化学反应，相互作用
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第1节 地下水的化学成分
地下水中的主要离子成分
水中离子成分主要取决于：
①元素的丰度（克拉克值)：某元素在地壳化学成分中的 重量百分比； ②元素组成的化合物在水中的溶解度
质等。
第六章 地下水的化学成分及其 形成作用
水是岩石中元素迁移、分散与富集的载体。研究
许多地质作用时都不能不涉及地下水的化学作用。
不同的用水目的在利用地下水时，对水的质量有
一定要求 （如：饮用水、锅炉用水、地下水对混凝土的侵
蚀性等）
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
www.themegallery.com
水文地质学基础
General Hydrogeology
--主讲：李明辉
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第六章 地下水的化学成分及其 形成作用
第1节 地下水的化学成分 第2节 地下水的主要物理、化学性质 第3节 地下水化学成分的形成作用 第4节 地下水化学成分的基本
成因类型 第5节 地下水化学成分的分类图示 第6节 地下水的水质评价
地wk.baidu.com中主要元素有哪些？
地壳中丰度较高的元素：Si、Al、Fe （地下水中低） 地壳中丰度较低的元素：Cl、S、C （地下水中高）
地下水中主要离子有：
Anion 阴离子：HCO-3、SO2-4、ClCation 阳离子：Ca2+、Mg2+、K+、Na+
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第1节 地下水的化学成分
氯离子（Cl-） •来源：
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第1节 地下水的化学成分
重碳酸根离子（HCO3-） •来源 •来自含碳酸盐的沉积岩与变质岩（如大理岩）
• CaCO3+ H2O+CO2→2HCO3-+Ca2+ • MgCO3+ H2O+CO2→2HCO3-+Mg2+
•岩浆岩与变质岩地区，主要来自铝硅酸盐矿物的风 化溶解 Na2Al2Si6O16+2CO2+3H2O → 2HCO3-+2Na++H4Al2Si2O9+4SiO2 •特点 •含量一般不超过1g/L，在低矿化水中为主要阴离子。
❖SO2-4 → H2S，成煤过程，煤田水 成油过程，油气藏，油田水
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第1节 地下水的化学成分
二氧化碳（CO2） •来源： 大气降水中的CO2含量较低，地下水中CO2主要源于
❖ 土壤层（入渗过程溶于水中）：有机质残骸发酵产生、植物呼 吸作用产生
❖ 碳酸盐岩地层：在深部高温下，也可变质生成CO2
❖ CaCO3---CaO+CO2
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第六章 地下水的化学成分及其 形成作用
地下水不是纯的H2O，而是天然溶液，含有各种组分。 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。
物理性质：温度、颜色、嗅、味、密度、导电性、
放射性。
化学性质：气体成分、离子成分、胶体物质、有机
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第1节 地下水的化学成分
•判别： •O2与N2共存---来源于大气并处于氧化环境
大气圈随降水入渗进入含水层中，如富含O2与N2 ——说明地下 水是大气起源的，氮还有生物起源与变质起源
•N2单独存在---来源于大气并处于还原环境 在封闭环境下，氧被耗尽只剩下N2，指示水是大气起源且
处于封闭环境 •大气中惰性气体（Ar, Kr, Xe）与N2的比值： •（Ar, Kr, Xe）/ N2 = 0.0118 ， 则N2是大气起源 •（Ar, Kr, Xe）/ N2 ＜ 0.0118，则N2是生物或变质起源
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第1节 地下水的化学成分
钠离子（Na+）
•含量：在低矿化水中的含量一般很低，仅数毫克/ 升到数十毫克/升，但在高矿化水中则是主要的阳离 子，其含量最高可达数十克/升。
•来源：
•沉积岩中岩盐及其它钠盐的溶解；
•海水
•岩浆岩和变质岩地区，来自含钠矿物风化溶解。
钾离子（K+）
•来源与Na+相近
•地下水中含量远低于Na+含量。原因有：
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第1节 地下水的化学成分
•特点： •水迁移能力很强； •含量变化幅度大：数mg/L~数百 g/L 一般岁TDS的增加而有所提高。
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第1节 地下水的化学成分
硫酸根离子（SO42-） •来源 •含石膏（CaSO4•2H2O）或其它硫酸盐的沉 积岩的溶解 ； •硫化物的氧化 2FeS2+7O2+2H2O→2FeS4+4H++2SO42•特点 •水迁移能力很强，但次于Cl-； •含量由数mg/L~数十g/L。
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第1节 地下水的化学成分
主要的气体成分
常见的有O2、 N2、CO2、CH4 及 H2S
常见气体成分与地下水所处环境和地下水来源有关 氧（O2）、氮（N2）
•来源： •主要来源于大气 ： O2占20.95%， N2占78.09% •生物化学作用：微生物分解有机物与矿物盐类 •水生植物的光合作用放出O2 •变质作用：岩石在高温高压下影响下可生成。
•与其相关的各种原岩的风化溶解。如 沉积岩中所含岩盐或其它氯化物的溶解； 岩浆岩中含氯矿物[氯磷灰石Ca5（PO4）3 Cl、
方钠石NaAlSiO4 NaCl]的风化溶解。 •来自海水：海水补给地下水，或者来自海面的风 将细沫状的海水带到陆地，使地下水中Cl-增多； •火山喷发物的溶滤 ； •人为污染