地下水的化学成分及其形成作用(精)

第六章地下水的化学成分及其形成作用

第一节概述

地下水是天然溶液。地下水在参与自然界水循环过程中，与大气圈、水圈与生物圈同时发生着水量交换、化学成分的交换（—水质状况）。

水是良好的溶剂，地下水在空隙中运移时，可以溶解岩石中的组分，使地下水的化学成分丰富多彩。

地下水的物理性质：温度、颜色、嗅、味、密度、导电性与放射性

地下水的化学性质：气体成分、离子成分、胶体物质、有机质等

地下水的放射性、微生物成分等。

第二节地下水的化学特征

一、地下水中常见的气体成分

主要有氧（）、氮（）、二氧化碳（）、硫化氢（）、甲烷（），常见的气体成分与地下水所处环境，地下水的来源有关。

（1）氧（）、氮（）

来源：在大气成分中、含量很高，随降水一起入渗进入地下含水层中。反过来，如果地下水中富含与——也说明地下水是大气起源。由于活跃，在地下水运动中易发生氧化作用而消耗，因此，大气起源的地下水中，也可能独立存在。此外，氮还有生物起源与变质起源。

指示意义：含量高指示氧化环境；封闭环境下，氧被耗尽只剩下，则为大气起源封闭环境。

（2）硫化氢（）、甲烷（）

来源：这两种气体，都是在封闭环境下生成的。如是在有机物与微生物参与的生物化学过程中形成，还原环境下地下水中的→，在成煤过程中，在还原作用下产生，使煤田水富含。同理，甲烷（）是成油和油气藏形成过程的结果，油田水富含甲烷（）。

指示意义：富含和的地下水，指示封闭的还原环境。

（3）二氧化碳（）

大气降水中的含量较低，地下水中主要来源：

①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

②碳酸盐岩地层的脱碳酸作用

③深部高温下，变质作用生成

④人类活动，在使用化石燃料（煤、石油、天然气）时，大气中的增加

作用：地下水中增加，水对碳酸盐岩的溶解、结晶岩风化溶解的能力愈强！

（4）地下水中气体成分特征小结：

①气体成分——指示地下水所处的地球化学环境

氧化环境

还原环境

②气体成分增加水对盐类的溶解能力→促进水—岩的化学反应（即相互作用）

二、地下水中的主要离子成分

（1）概述：地下水中组分很多，而分布广、含量多的主要有七种离子

阴离子：，，

阳离子：，，，

离子成分含量与什么有关？

①各种元素的丰度（克拉克值）—即某元素在地壳化学成分中的重量百分比

②该元素组成的化合物在水中的溶解度

在自然界，丰度较高的元素，如Si、Al、Fe，在水中含量很低；而某些丰度较低的，如Cl、S、C，在水中含量却很高。这说明元素组成的化合物的溶解度起主要作用。

（2）主要离子的相对含量与地下水中的总含盐量（TDS）关系

常见地下水的化学成分特征，与地下水的矿化度（或TDS）具有以下关系矿化度：低→ 中→ 高

阴离子：

阳离子：

我们可以得出主要离子构成的盐类溶解度的大小为：

碳酸盐类 < 硫酸盐类 < 氯化物（氯盐）

（3）主要离子成分的来源

低矿化度水中的常见离子：

，，常共同出现在低矿化度水中。来源沉积盐岩的溶解、岩浆岩、变质岩等的风化溶解，如风化溶解反应式：

沉积盐岩的溶解反应式：

高矿化度水中的常见离子：

，，常出现在高矿化度水中。来源沉积盐岩（钠盐、钾盐）的溶解，以及岩浆岩、变质岩的风化溶解，有时也有海水海风影响。变质岩的风化溶解反应式：

中等矿化度水中的常见离子：

，常出现在中等矿化度水中。其中，来源于沉积盐类溶解、金属硫化物的氧化、火山喷发，气体氧化、以及人类活动燃烧煤产生大量

，大气中过高时，会出现降“酸雨”现象（如一些工业城市上空）。

（4）主要离子成分在地下含水系统（岩层）中的分布

插图6-1，表示了水中主要阴离子沿流程的变化特点。

请思考？相应的阳离子和矿化度（TDS），沿流程如何变化？

插图6-1 主要阴离子沿流程变化特点（图中+号表示含量多少）

三、地下水中的其他成分

次要离子：阳离子，如

阴离子，如及等

微量组分：有Br、I、F、B、Sr等

化合物构成的胶体：主要有，及等，有时可占到相当比例。

有机质：经常以胶体方式存在于地下水中。有机质的存在，常使地下水酸度增加，并有利于还原作用。

地下水中还存在各种微生物：如，硫细菌、铁细菌、脱硫酸细菌等；

在污染水中，还有各种致病细菌。

第三节地下水的温度

地下水的温度受其赋存与循环处所的地温控制。

变温带：浅埋地下水显示微小的水温季节变化。

常温带：地下水水温与当地年平均气温很接近，这两带的地下水，常给人以“冬暖夏凉”的感觉。

增温带：地下水随其赋存与循环深度的加大而提高，成为热水甚至蒸汽。如西藏羊八井的钻孔，获得温度为160℃的热水与蒸汽，

地下水水温的计算：已知年平均气温（t）、年常温带深度（h）、地温梯度（r）时，可概略计算某一深度（H）的地下水水温（T），即：

地下水循环深度计算：利用地下水水温（T），可以推算其大致循环深度（H），即：

地温梯度的平均值约为3℃／100m。通常变化于1.5—4℃／l00m之间，但个别新火山活动区可以很高。如西藏羊八井的地温梯度为300℃／100m。

第四节地下水化学成分的形成作用

本节讨论的地下水化学成分的形成作用包括：

溶滤作用——水与岩的相互作用，经常发生

浓缩作用——蒸发排泄条件下发生

脱碳酸作用——在温度与压力发生变化时发生

脱硫酸作用——在还原环境下发生，→↑

阴离子交替吸附作用——岩土表面吸附阳离子与水中阳离子的作用

混合作用——2种或以上不同类型地下水交汇混合时发生

人为活动的作用

一、溶滤作用