第六章_地下水的化学成分及其形成作用
6第六章__地下水的化学成分及其形成作用
第六章地下水的化学成分及其形成作用6．1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。
6．2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）发生化学反应岩石圈水圈交换化学成分地下水中出现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）；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： １）Cl -主要出现在高矿化水中，可达几g/L ~ 100g/L 以上。
来源：① 来自沉积岩氯化物的溶解；② 来自岩浆岩中含氯矿物的风化溶解；碳酸盐溶 解 度矿 化 度小低H C O 3-S O 42-C l-大高硫酸盐氯盐③来自海水；④来自火山喷发物的溶滤；⑤人为污染：工业、生活污水及粪便中含有大量Cl-，因此居民点附近矿化度不高的地下水中，如Cl-含量超过寻常，则说明很可能已受到污染。
水文地质学基础 第六章 地下水的化学成分及其形成作用.
5. K＋ ◆ 地下水中K＋的含量只有Na＋含量的4％～10％。 ◆ 一般将K＋归并到Na＋中进行分析，不另区分。
如Na＋（+ K＋ ）
6. Ca2＋（低矿化水的主要阳离子） ◆ 含量一般不超过数百mg/L ◆来源： ☆碳酸盐类沉积物及含石膏沉积物的溶解； ☆岩浆岩及变质岩中含钙矿物的风化溶解。 7. Mg2＋ ◆ 化学性质及来源与Ca2 ＋相近，但地壳组成中 Mg2＋比较少，因此含量通常较Ca2 ＋少。
化合物的当量=化合物分子量 / 阴（阳）离子价 meg/L＝mg/L /离子的当量
☆德国度（H°） ：相当于1L水中含10mgCa2＋或 7.2mgMg2＋的量。
1 meg/L＝2.8 H°
4.地下水按硬度分类：
地下水类型 极软水 软 水 弱硬水 硬 水 极硬水
硬度（mg/L，以 CaCO3计）
＜75
◆专项分析：
只分析一个或少数几个成分，分析项目根据具体任务确 定。
如：在对地下水质作动态观测时，可只选有代表性的离 子作定期分析；
为判明含水层之间是否有联系时，只需要作个别离子的 分析；
在为寻找饮用水源进行地下水调查时，需进行水中有毒 成分如As（砷）、Pb（铅）、F（氟）等项目的分析。
三、水化学分析资料整理
如：CO2可促进碳酸盐类的溶解。
二、地下水中主要离子成分
◆主要离子共7种： Cl－、SO42－、HCO3－、Na＋、K＋、Ca2＋、Mg2＋
◆占主要地位离子随矿化度（含盐量）的变化： ☆低矿化水以HCO3－及Ca2＋ ，Mg2＋为主； ☆中等矿化水以SO42－及Na＋为主，阳离子也可以
是Ca2＋ ； ☆高矿化水以Cl－及Na＋为主。
第6章 地下水的化学成分及其形成
② 地下水中出现H2S与CH4，其意义 恰好与出现O2相反，说明处于还原的 地球化学环境。 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（CO2）
（4）氢（H2）
氢（H2）在地下水，特别是在热水和碳酸水中，经常 发现氢气。 两种成因： 常温下有机质的分解； 高温下非生物成因（如火山作用）。 －－在阿尔俾山褶皱带、现代火山区、含油气区和卤素建 造的地下水中，也发现有大量的氢气。 －－在含油气区地下水中溶解氢的含量多为n—n.10ml/l, 少数达n.100ml/l。个别大于1000ml/l。如高加索侏罗系深 部含水层中，氢含量达1531ml/l。 －－氢的挥发性极强，化学性质极为活泼，因此，封闭条 件差的地层中氢浓度很低，封闭条件好的地方才能保存较 高的氢。
半干旱的华北平原的潜山从山前冲积洪积扇到半干旱的华北平原的潜山从山前冲积洪积扇到滨海虽然有些地方也可分为重碳酸盐水硫酸盐滨海虽然有些地方也可分为重碳酸盐水硫酸盐水及氯化物水三个带但是大部分地区缺乏中间的水及氯化物水三个带但是大部分地区缺乏中间的硫酸盐水带而是出现过渡性的硫酸盐水带而是出现过渡性的重碳酸重碳酸氯化物氯化物或氯化物或氯化物重碳酸盐水带
总硬度—水中钙镁离子的总量，称为水的总硬度。 以mg/L (CaCO3) 表示。计算：Ca2+、Mg2+ 的毫克当 量总数×50 暂时硬度－当水煮沸时，一部分钙镁离子的重碳酸 盐因为失去二氧化碳而成为碳酸盐沉淀，沉淀部分 叫做暂时硬度（碳酸盐岩硬度）（与CO32-、HCO3结合的Ca2+、Mg2+ ）。
(5)人为污染：工业、生活污水中含有大量Cl-， 因此，居民点附近矿化度不高的地下水中，如 发现C1-的含量超过寻常，则说明很可能已受 到污染。
第6章 地下水的化学成分及其形成作用
Fundamentals of Hydrogeoloy
水文地质学基础
本章内容
第六章地下水的化学成分及其形成作用
6.1地下水的化学成分
6.1.1气体成分
6.1.1气体成分
6.1.1气体成分——研究意义
6.1.2主要离子成分
6.1.2主要离子成分
：
地下水水流过程的阴离子变化
6.1.2主要离子成分
6.2 地下水化学成分形成作用
6.2.1 溶滤作用
6.2.1 溶滤作用——影响因素
地下水是如何保持它的溶解能力的？
6.2.1 溶滤作用——结果
6.2.2 浓缩作用
浓缩作用（过程）理想模式
丘陵倾斜平原区低平原
Cl--Na 地下水化学特征具有分带性
溶滤作用
由于地下水化学成分形成作用受区域自然地理与地质条件的影响，地下水的化学特征往往具有一定的分带性（空间上的）。
山西忻州盆地地下水水化学图
6.2 地下水化学成分的形成作用
6.3 总矿化度与地下水化学成分分类
6.3 总矿化度与地下水化学成分分类
、
、
6.3.2 矿化度或总固体溶解物(TDS）
6.3.3 水化学成分的表示方法—库尔洛夫式
6.3.4 舒夫卡列分类
水化学形成作用—练习。
水文地质学基础第6章地下水的化学成分及其形成作用
人为因素
农业活动
农业活动中使用的化肥和农药会随着雨水渗入地下，对地下水的 化学成分造成影响。
工业废水排放
工业废水中的各种化学物质会随着废水渗入地下，对地下水的化 学成分造成影响。
采矿活动
采矿活动会改变地下水的水动力条件，使得地下水与矿坑中的溶 液发生混合，从而改变地下水的化学成分。
06
地下水化学成分的利用与 保护
影响因素
长期变化的影响因素主要包括人类活动、气候变化和地质构造等。这些因素会 影响地下水的补给、径流和排泄条件，从而影响地下水化学成分的变化。
地下水化学成分的空间变化
空间变化
地下水化学成分的空间变化是指在不同地点或不同深度上，地下水化学成分的变 化情况。由于地下水的形成和运动受到地质构造、地层岩性和地形地貌等多种因 素的影响，因此地下水化学成分的空间变化通常比较复杂。
沉淀和溶解作用
沉淀和溶解作用
地下水中的化学成分在一定的条件下会形成沉淀或重新溶 解，从而改变地下水的化学成分。
沉淀和溶解作用的条件
沉淀和溶解作用的条件包括温度、压力、pH值、离子浓 度等。当这些条件发生变化时，地下水中的化学成分也会 发生变化。
沉淀和溶解作用的产物
沉淀和溶解作用可以形成各种矿物和岩石，如硬水垢、矿 泉水的形成等。同时，沉淀和溶解作用也会影响地下水的 硬度和酸碱度。
维持生态平衡
地下水参与水循环，对地表植被、土壤保持和水 生生态系统等具有重要影响，维持生态平衡。
3
地质灾害预警
地下水的异常变化可以预警地质灾害，如地震、 滑坡等。
地下水化学成分研究的意义
评估水质
01
了解地下水的化学成分有助于评估其水质，判断是否适合人类
饮用、农业灌溉等。
地下水的化学成分及其形成作用概述地下水是天然溶液
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。
第六章地下水的化学成分及其形成作用
水的 味道
咸味
涩味 苦味 清凉可口 味美适口
水中含有 NaCL
水中含有 Na2SO4 水中含有 MgCL2或 MgSO4 水中含有重 CO2 水中含有重碳酸钙、镁
六、比重（specific gravity） 地下水的比重取决于其中所溶解盐分的含量。地下淡水的比重通常认为与化 学纯水的比重相同，其数值为1。水中溶解的盐分越多，比重越大，有的可达 1.2--1.3。
四、嗅味（smell） 用鼻子闻，地下水一般是无气味的，但当其中含有某些离子或某种气体时， 则出现特殊的气味。例如：水中含有H2S气体时，具有臭鸡蛋气味；水中亚铁 盐含量很高时具有铁腥气味；含有腐殖质时具有腐草（沼泽）气味。水的气味 在低温时很难判断，加热到40 ℃时气味最明显。
地下水的物理性质
五、味道（sapor） 用嘴尝。地下水的味道取决于它的化学成分。
分 类 极软水 软水 微硬水 硬水 极硬水 Ca2+ 和Mg2+ 毫克当量 / L 德国度
＜1.5 1---3 3---6 6---10 ＞10
＜ 4.2 4.2---8.4 8.4---16.8 16.8---25.2 ＞ 25.2
6.2.4 地下水的总矿化度及化学表示式
酸碱度 PH=－lg[ H+ ]
测定地下水颜色的方法：取两支无色透明玻璃试管，一支装蒸馏水， 一支装被测地下水， 在管下衬以白纸，自上而下观测其颜色。
地下水的物理性质
三、透明度（diaphaneity） 地下水的透明度取决于水中固体与胶体悬浮物的含量。 地下水按透明度分为四 级：透明的、微浊的、混浊的和极浊的。 透明度的测定方法：通过盛水样的试管，以看清 3mm粗线的水深来确定。
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。
第六章地下水的化学成分、物理性质及其形成作用
五、地下水中的其它成分
1.次要离子：H+、Fe2+、Fe3+、Mn2+、NH4+、OH－、NO2－、NO3－、 CO32－、 SiO3－、PO43－等。
2.微量组分：Br、I、F、B、Sr 、Ba等。其作用：
1）说明地下水的形成环境；
2）对人体健康有明显影响。
3.未离解的化合物构成的胶体：如Fe(OH)3、A1(OH)3、H2SiO3等。
3.二氧化碳（CO2）
1）来源：
a.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不 断产生CO2，并溶入流经土壤的地下水中。
b.深部变质来源。含碳酸盐类的岩石，在深部高温下，也可以变质生成 CO2。
在少数情况下，地下水中可能富含CO2 甚至高达1g/L 以上。
c.少量来源于降水和地表水，但含量通常较 低。
d.人为来源。
2）作用：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。
四、地下水中主要离子成分
1.总体特征
1）主要离子成分：氯离子（C1－）、硫酸根离子(SO42-)、重碳酸根 离子（HCO3－）、钠离子（Na+）、钾离子（K+）、钙离子（Ca2+） 及镁离子（Mg2+）。
3.地下水化学成分对于用于各种地下水利用的目的，水质评价都具有决定性 意义。
4.地下水化学成分的确定，有助于查明地下水有关物质的迁移、分散规律， 对寻找矿产资源，确定矿床或污染源位置具有重要意义。
三、地下水化学成分研究理论及特征
1. 理论基础：水文地质学的分支——水文地球化学，研 究地下水中化学元素迁移、集聚与分散的规律，地下水 水质演变的学科。
地壳中钾的含量与钠相近，钾盐的溶解度也相当大。但是，在地下水中 K+的含量要比Na+少得多。原因： a.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)； b.易为植物所摄取。
地下水的化学成分及其形成作用名词解释永久硬度指
第六章地下水的化学成分及其形成作用一、名词解释1．永久硬度：指水中钙离子和镁离子与氯离子、硫酸根离子和硝酸根离子结合的硬度。
2．暂时硬度：指水中钙离子和镁离子与碳酸根离子和重碳酸根离子结合的硬度。
3．总硬度：水中所含钙离子和镁离子的总量。
4．混合作用：成分不同的两种水汇合在一起，形成化学成分与原来两者都不相同的地下水，这便是混合作用。
5．地温梯度：指每增加单位深度时地温的增值。
6．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。
7．浓缩作用：由于蒸发作用只排走水分，盐分仍保留在余下的地下水中，随着时间延续，地下水溶液逐渐浓缩，矿化度不断增大的作用。
8．脱碳酸作用：地下水中CO2的溶解度随温度升高或压力降低而减小，一部分CO2便成为游离CO2从水中逸出，这便是脱碳酸作用。
9．脱硫酸作用：在还原环境中，当有有机质存在时，脱硫酸细菌能使硫酸根离子还原为硫化氢的作用。
10．阳离子交换吸附作用：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。
二、填空1．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。
2．地下水中常见的气体成分有氧气、氮气、二氧化碳、甲烷及硫化氢等。
3．地下水中分布最广、含量较高的阴离子有氯离子、硫酸根离子及重碳酸根离子等。
4．地下水中分布最广、含量较高的阳离子有钠离子、钾离子、钙离子及镁离子等。
5．一般情况下，低矿化水中常以重碳酸离子、钙离子及镁离子为主；高矿化水则以氯离子及钠离子为主。
6．一般情况下，中等矿化的地下水中，阴离子常以硫酸根离子为主，主要阳离子则可以是钠离子，也可以是钙离子。
7．地下水化学成分的形成作用有溶滤作用、浓缩作用、脱碳酸作用、脱硫酸作用、阳离子交替吸附作用和混合作用。
8．据地下水化学成分的成因类型，可将地下水分为溶滤水、沉积水和内生水。
9．在低矿化水中，阴离子以重碳酸盐为主，阳离子以钙离子、镁离子为主。
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
12
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
14
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。
地下水的化学成分及其形成作用
总之，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。
第二节 地下水的化学特征
一、地下水中的主要气体成份
常见 O2 , N2 , CO2 , CH 4 , H2S 等，尤以前三种为 主。气体成份一方面能说明地下水所处的地球化 学环境；另一方面，有些气体能够增强水溶解盐 类的能力，促进某些化学反应。
有微生物参与了生物化学反应， （三）CO₂ 主要来源于土壤。 1、有机残骸发酵作用与植物呼吸作用使土壤
中不断产生CO₂溶入径流土壤的地下水中； 2、含碳酸盐类的岩石，在深部高温下，也可
变质生成CO₂：
CaCO3 400℃ CaO CO2
地下水中CO₂愈多，其溶解碳酸盐的能力越强。
其化学成分受岩性、气候、地形等因素的影响。 绝大部分地下水属于溶滤水。 二、沉积水 指与沉积物大体同时生成的古地下水。 河、湖、海相沉积物中的水具有不同的原始成份，
在漫长的地质年代中水质又经历了一系列复杂变化， 通常是一些高矿化的咸水。
三、内生水
20世纪初，曾把岩浆看作温泉分异的产物， 后来发现，在大多数情况下，温泉是大气降水 渗入到深部加热后重新升到地表形成的。近年 来，某些学者通过对地热系统的热均衡分析得 出，仅靠水渗入深部获得的热量无法解释某些 高温水的出现，认为应有10%—30%的水来自 地球深部圈层的高热流体的加入，这样，源自 地球深部圈层的内生水又逐渐为人们所重视。 但内生水的研究，至今尚不成熟。
（2）含钠矿物的风化溶解；
5、K⁺
来源：（1）含钾盐类沉积岩的溶解；
（2）变质岩、岩浆岩盐中含钾矿物的风化溶解。
6、Ca⁺²
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
• 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；
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。
8
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
7
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。
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。
• 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
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。
1
• 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。
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。
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。
• 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。
6.1
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。
4
3
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:
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。
2
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 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。
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。
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）：
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：
• 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。