第六章_地下水的化学成分及其形成作用

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钾离子（K+）： • 钾离子的来源： 含钾盐类沉积岩的溶解； 岩浆岩、变质岩中含钾矿物的风化溶解。 • 低矿化水中含量甚微，高矿化水中较多。 • 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），并易为植物所摄取，因此，地下水中K+ 的含量要比Na+少得多。 • K+的性质与Na+相近，含量少，分析比较费事，故一般 情况下，将K+归并到Na+中，不另区分。
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氯离子(Cl-)
• 氯离子在地下水中广泛分布,但低矿化水中一般含量仅数 mg/L到数十mg/L,高矿化水中可达数g/L乃至100 g/L以上。 • 地下水中Cl-的主要来源: ①沉积岩中所含岩盐或其它氯化物的溶解; ②岩浆岩中含氯矿物方钠石[NaAlSiO4·N aCl]、氯磷灰石 [Ca5(PO4)3Cl]的风化溶解; ③海水：海水补给地下水，或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; ④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-。 • Cl-不为植物及细菌所摄取，不被土粒表面吸附，氯盐溶解度 大，不易沉淀析出，是地下水中最稳定的离子。 Cl-的含量随 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。
重碳酸根离子（HC03-）： • 地下水中的重碳酸的来源： ①含碳酸盐的沉积岩与变质岩（如大理岩）； ②岩浆岩与变质岩区, 铝硅酸盐矿物的风化溶 解,如:(钠长石、钙长石）； • 地下水中HC03-的含量： 一般不超过数百mg/L, HC03-总是低矿化水的主 要阴离子成分。
钠离子（Na+）: • 含量： 低矿化水中含量一般很低,仅数mg/L到数十mg/L; 高矿化水中主要的阳离子，含量最高可达数十g/L 。 • 来源： 沉积岩中岩盐及其它钠盐的溶解； 海水； 岩浆岩和变质岩区含钠矿物的风化溶解。
地下水中的物质及颜色
透明度分级 透明的 微浊的 混浊的
地下水中的透明度
特征 无悬浮物及胶体，60cm水深可见3mm的粗线 有少量悬浮物，大于30cm水深可见3mm的粗线 有较多悬浮物，半透明状 有大量悬浮物及胶体，水深很小也不能清楚看见3mm 的粗线
地下水中的物质及味道
极浊的
地下水的温度
名称 过冷水 极冷水 冷水 温水 <0 0~4 4~20 20~37 水温（℃） 名称（℃） 热水 高热水 过热水 水温（℃） 37~42 42~100 >100
硫酸根离子（SO42-）： • 不同矿化程度水中（SO42-）的含量： 高矿化水,含量仅次于Cl-,可达数g/L; 低矿化水,一般含量仅数mg/L; 中等矿化水, SO42-常成为含量最多的阴离子。 • 硫酸根离子（SO42-）来源： 含石膏或其它硫酸盐的沉积岩的溶解。 煤系地层含有黄铁矿；金属硫化物矿床附近。 化石燃料燃烧产生的SO2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。
钙离子（Ca2+）: • 含量： 低矿化水中的主要阳离子,其含量一般不超 过数百mg/L。 高矿化水中,因阴离子主要为Cl- , 而CaCl2 的溶解度相当大，故Ca2+的绝对含量显著增大, 但仍远低于Na+。矿化度格外高的水,钙也可成为 主要离子。 • 来源： 碳酸盐类沉积物及含石膏沉积物的溶解； 岩浆岩、变质岩中含钙矿物的风化溶解。
• 地下水中化学元素迁移、集聚、分散的 规律——水文地球化学的研究内容。 • 地下水中元素迁移不能脱离水的流动； • 水文地球化学的研究必须与地下水运动 的研究紧密结合。
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6.2 地下水的物理性质 • 地下水水质的演变具有时间上继承的特点： 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，故不能从纯化学角度 ,孤立、静止地研究地下水的化学成分及其 形成,必须从水与环境长期相互作用的角度, 去揭示地下水化学演变的内在依据与规律。 地下水不是纯化学意义上的H2O，而是一种复杂的 溶液
地下水的温度受其赋存与循环所处的地温控制：
• 变温带中浅埋地下水显示微小的水温季节变化。 • 常温带地下水温与当地年平均气温很接近。 • 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。 • 利用年平均气温t、年常温带深度h、地温梯度r，可计算 某一深度H的地下水水温T。 T=t+(H-h)r 同样，利用地下水水温T ，可以推算地下水的大致循环深 度H。
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地下水的温度
地下水的温度主要受当地地温变化的影响。要研究地下 水的温度，首先要研究地温的变化规律。
根据受热源影响的情况,地壳表层温度可分三带：
• 变温带——受太阳辐射影响的地表极薄的温度变化 带。 • 常温带——变温带以下一个厚度极小的带 • 增温带——常温带以下,地温受地球内热影响的带
地壳表层有两个热能来源:
1.氧（02）、氮（N2） • 地下水中的氧气和氮气主要来源于大气。它 们随大气降水及地表水补给地下水,故以入渗 补给为主、与大气圈关系密切的地下水中含02 、N2 较多。 • 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。
①气体成分—能够说明地下水所处的地球化学环境； ②水中有些气体—会增加水溶解盐类的能力，促进某些
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第六章
6.1 概述 6.2 地下水的物理特征 6.3地下水的化学特征 6.4 地下水化学成分的形成作用 6.5 地下水化学成分的基本成因类型 6.6 地下水化学成分的分析内容与分类图示
概述
地下水的化学成分及其形成作用
地下水是一种复杂的溶液： • 赋存于岩石圈中,不断与岩土发生化学反应;与大气 圈、水圈和生物圈进行水量和化学成分的交换。 • 人类活动的影响改变了地下水的化学面貌。 • 地下水的化学成分是地下水与环境（自然地理、地 质背景、人类活动）——长期相互作用的产物。 • 某区地下水的化学面貌,反映该区地下水的历史演变 。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，阐明地下水的起源与形成。
增温带：
• 常温带以下,地温受地球内热影响，随深度加大而有规律地 升高。 • 增温带中的地温变化用地温梯度表示。 • 地温梯度：指每增加单位深度时地温的增值，一般以 ℃/100m为单位。 • 地温梯度的平均值约为3 ℃/100m。通常变化于1.5-4 ℃/100m之间，但个别新火山活动区可以很高。
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矿化度与主要离子之间的关系？
四、地下水的总矿化度及化学成分表示式
• 总矿化度的概念： 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）,以每升水中所含克数（g/L）表示。 • 总矿化度的表征方式： a.习惯上以105 ℃一110 ℃时将水蒸干所得的干涸残余 物总量来表征； b. 在水质简分析中是用分析所得的阴阳离子含量相加， 然后减去HCO3
• 太阳的辐射； • 地球内部的热流。
常温带的特征：
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。变温带 的下限深度一般为15-30m。地温年变化小于 0.1℃。
• 处于变温带以下一个厚度极小的地带。 • 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。
• 地下水是宝贵的液体矿产： 含大量盐类(如NaCl、KCl)或富集某 些稀散元素(Br、I、B、Sr等)的地下水是
宝贵的工业原料；
某些具有特殊物理性质与化学成分的 水具有医疗意义；
Байду номын сангаас
盐矿、油田、金属矿床所形成特定化学元 素的分散晕圈是找矿的重要标志。 污染物在地下水中散布,也会形成晕圈。 这就需要查明有关物质的迁移、分散规律 ,确定矿床或污染源的位置。
6.3 地下水的化学特征
• 主要气体成分 • 主要离子成分 • 其它成分 • 总矿化度及化学成分表示式
一、地下水中主要气体成分
• 地下水中常见的气体成分： O2、N2、CO2、CH4、H2S等。尤以前三种为主。 通常情况下，地下水中气体含量不高，只有几mg/L到 几十mg/L。 • 研究地下水中气体成分的意义：
2.硫化氢(H2S)、甲烷（CH4）: • 地下水中出现H2S、CH4,其意义与出现O2相反, 说明处于还原的地球化学环境（还原环境）。 • 这两种气体的生成,均在与大气比较隔绝的环 境中,有有机物存在,微生物参与的生物化学过 程有关。其中, H2S 是SO42-的还原产物。
3.二氧化碳(C02）：
化学反应。
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1.氧（02）、氮（N2） • 02的化学性质远较N2活泼，在较封闭的环境中， 02将耗尽而只留下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 中含有生物起源或变质起源的N2 。
• 地下水中的C02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C02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，可变质生成C02。在这种 情况下，地下水中可能富含C02 甚至高达1g/L以上。 • 煤、石油、天然气燃料,使大气中人为产生的C02明显增加。 大气中C02浓度的不断上升，引起了严重的温室效应，使气 温上升。 • 地下水中含C02越多，其溶解碳酸盐岩与对结晶岩进行风化 作用的能力越强。
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。 • 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。
三、地下水中的其它成分
• 地下水中的次要离子：如H+、Fe2+、 Fe3+、Mn2+ 、OH-、NO2-、NH4+
……。
• 地下水中的微量组分：Br、I、F、B、Sr等。 • 胶体：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H2SiO3等。 • 有机质：常以胶体方式存在于地下水中。 • 微生物：地下水中存在各种微生物。例如,氧化环 境中存在硫细菌、铁细菌等;还原环境存在脱硫酸 细菌等;污水中有各种致病细菌。
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• 地下水对混凝土的侵蚀作用 – 分解性侵蚀：指酸性水溶虑氢氧化钙及侵蚀性碳酸溶虑 碳酸钙而使水泥分解破坏的作用。 • 一般酸性侵蚀 • 碳酸侵蚀 – 结晶性侵蚀：主要是水中硫酸盐与混凝土发生反应，在 混凝土的孔隙中形成石膏和硫酸铝盐晶体，这些新的化 合物因结晶膨胀作用体积增大，导致混凝土力学强度减 低，以致破坏。 – 分解结晶复合性侵蚀：主要是水中弱盐基硫酸盐离子（ Mg2+、Fe2+、 Fe3+ 、Cu2+、Zn2+等）与水泥发生化学反应 ，使混凝土力学强度降低，甚至破坏。
二、地下水中主要离子成分
• 地下水中分布最广、含量较多的离子（七种）： Cl-、SO42-、HCO3-、Na+、K+、Ca2+、Mg2+。 • 构成这些离子的元素，或是地壳中含量较高，且较易溶 于水的（如O2、Ca、Mg、Na、K ）；或是地壳中含量虽 不很大，但极易溶于水的（Cl、以SO42-形式出现的S） • Si、Al、Fe等元素，虽然在地壳中含量很大，但由于难 溶于水，地下水中含量通常不大。
1、地下水与周围岩石发生化学反应； 2、与大气圈、水圈、生物圈进行水量交换时，交换化学成份； 3、人类活动影响地下水化学成份。
地下水的化学成份是地下水与环境以及人类活 动长期相互作用的产物！
地下水的物理性质：
是指地下水的比重、温度、透明度、颜色、味（ taste）、嗅味（smell）、导电性、放射性等物 理性质的综合。
• 水是最为常见的良好溶剂： 它溶解、搬运岩土组分,并在某些情况 下将某些组分从水中析出。 • 水是地球中元素迁移、分散与富集的载体： 许多地质过程(岩溶、沉积、成岩、变 质、成矿）都涉及地下水的化学作用。
• 根据不同用途，利用地下水都对其水 质有一定要求,并要进行水质评价： 饮用水水质评价 工业用水水质评价 农业用水水质评价 工程建设项目用水水质评价