水文地质学基础 第六章 地下水的化学成分及其形成作用.

Ca2＋＋2HCO3－
☆平衡CO2
☆侵蚀性CO2
混凝土固结后，在其表面及内部皆形成CaCO3。
当含有侵蚀性CO2的水与混凝土接触时，CaCO3将
溶解，从而使混凝土结构遭到破坏。
2. 硫酸盐侵蚀（结晶性侵蚀） 水中的可溶性离子（Na＋、K＋等）的硫酸盐与
水泥中的Ca(OH)2及水化铝酸钙发生反应，生成石 膏和钙钒石。
三、地下水中的其它成分
◆次要离子： H＋、Fe2＋、Fe3＋、Mn2＋、NH4＋、OH－、NO3－、
NO2－、CO32－等； ◆微量元素：Br、I、F、B、Sr等； ◆胶体：如Fe(OH)3，Al(OH)3和H2SiO2等。 ◆有机质 ◆微生物
四、地下水主要化学性质 （一）酸碱性
1.表示方法：PH＝－lg[H+] PH＝7 ,水呈中性; PH<7 ,水呈酸性; PH>7 , 水呈碱性
2.公式前端依次标示特殊成分、气体成分、矿化度(M), 单 位均为g/L。
◆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
3. HCO3－（低矿化水的主要阴离子）
◆分布广泛，但含量一般不超过数百mg/l. 除了酸性水外，所有淡水中HCO3－均可出现。
◆来源： 碳酸盐岩石的溶解： 岩浆岩与变质岩地区，铝硅酸盐矿物的风化溶解。
4. Na＋（高矿化水的主要阳离子 ）
◆ 低矿化水中，Na＋含量仅数mg/l～数十mg/l； 高矿化水中， Na＋含量最高可达数十g/l。
2.地下水按PH值分类：
PH值 <5 5～7 7 7～9 >9
酸碱度 强酸性 弱酸性 中性 弱碱性 强碱性
（二）总矿化度（总含盐量、总溶解固体TDS）
1.总矿化度：地下水中所含各种离子、分子及化合 物的总量。以g/L表示。 2.表示方法：
☆105—110℃时，将水烘干后所得的干涸残余物
的总量
☆按化学分析所得的全部离子、分子及化合物量
2. SO42－（中等矿化水主要的阴离子）
◆ SO42－在水中的含量受Ca2＋的限制，在还原环境 中可被还原成H2S。远不如Cl－含量高。
◆ 来源：
☆含石膏或其它硫酸盐沉积物的溶解；
☆天然硫或硫化矿物的氧化
☆化石燃料的燃烧。
◆煤系地层常含有很多黄铁矿，因此流经这类地层 的地下水往往以SO42－为主； 金属硫化物矿床附近的地下水中常以SO42－为主。
相加。（其中HCO3－含量应取一半）
3.地下水按总矿化度分类：
矿化度 （g/L）
<1
1～3 3～10 10～50 >50
地下水类别 淡水 微咸水 咸水 盐水 卤水
（三）硬 度
1.硬度：水中Ca2＋、Mg2＋含量。 2.分类：
☆ 总硬度：水中所含Ca2＋、Mg2＋的总量。 ☆ 暂时硬度：将水加热至沸腾后,由于形成碳酸盐沉淀而从 水中析出的那一部分Ca2＋、Mg2＋的含量。 ☆永久硬度：水煮沸后仍留在水中的Ca2＋、Mg2＋含量。 ☆碳酸盐硬度:水中与HCO3－含量相当的Ca2＋、Mg2＋含量.
1. Cl－（高矿化水的主要阴离子)
◆广泛分布于地下水中. 含量变化大，由数mg/l～ 数百g/l。常可用来说明地下水的矿化程度。 ◆来源： ☆沉积岩、岩浆岩的溶解； ☆ 海水； ☆来自火山喷发物的溶滤； ☆人为污染。
注意： 居民点附近矿化度不高的地下水中如发现Cl－含量 超过一般情况，则说明已受到污染。
◆积极： 如：兴修水利、修筑渠道，改善地下水质。
6.5 地下水化学成分的基本成因类型
从形成地下水化学成分的基本成因出发，可将地下水分 为三个主要成因类型： ◆溶滤水
富含CO2、O2的渗入成因的地下水，溶滤它所流经的岩 土而获得其主要化学成分。称溶滤水。
其成分受岩性、气候、地貌等因素影响。 ◆沉积水
6.3 地下水的温度
变温带 常温带（多年平均气温） 增温带
地壳温度分布示意图
◆增温带
☆地温梯度r：每增H加单位深度时地变温温带的增值。 一般以℃/100hm为单位。
平均值约为3℃/100m。通常变化常于温带1.（5多－年4平℃均/1气0温0tm）
之间。
增温带
☆地下水温度的推算：
T t (H h)r
浓度大的离子较浓度小的离子易被吸附。 ◆交替吸附作用的规模
比表面积（表面积 / 体积）愈大，交替吸附作用 的规模也就愈大。
6. 混合作用 ☆化学混合
☆物理混合 7.人类活动对地下水化学成分的影响
◆消极： ☆人类的工农业生产及日常生活使地下水污染。 ☆ 滨海地区过量开采，引起海水入侵； ☆不合理开采使咸水进入淡含水层； ☆ 不合理灌溉，造成土地盐渍化。
◆来源： 沉积岩、岩浆岩和变质岩的溶解；海水；
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。
◆溶滤作用与纯化学的溶解作用：不同 溶滤作用是一种与一定的自然地理与地质环境相
联系的历史过程。 一个地区经受溶滤愈百度文库烈，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。
2.浓缩作用 ◆其结果表现为：
①水的矿化度增高； ②改变地下水的化学类型。 ◆通常浓缩作用的影响深度不大，主要是通过毛细 作用上升到地表而发生的。 在十分干旱的气候条件下，埋深达数十米的潜 水产生的浓缩作用，主要是汽态的水分子从深部不 断上逸而形成的，其蒸发强度是极微弱的。
(一)各种离子浓度单位的换算： ◆离子毫克数表示法：mg/l ◆离子毫克当量表示法：meq/L ◆离子毫克当量百分数meq%： 某阴（阳）离子meq%＝
某一阴（阳）离子毫克当量数 阴（阳）离子毫克当量总数
100％
（二）水化学分析结果误差检验
e = （∑k — ∑a）\ (∑k + ∑a)×100% 式中：∑k —阴离子总含量(meq%);
与沉积物大体同时生成的古地下水。 其化学成分主要来源于形成沉积物的水体。 ◆内生水 源自地球深部层圈的水。
6.6 地下水化学成分分析与资料整理
◆简分析：一般用于地下水普查阶段。以了解区域地下 水化学成分的概貌。
☆分析特点：项目少，精度要求低，但要求快而及时。 ☆分析项目：
物理性质 定量分析：HCO3－、SO42－、Cl－、Ca2＋、总硬度、 PH值。 通过计算可求得水中各主要离子含量及总矿化度。 定性分析：项目则不固定，较经常的有NO3－、NO2－、 NH4＋、Fe3＋、H2S、耗氧量等。
当[Ca2+ + Mg2+]≤ [HCO3- ]时, 暂时硬度=总硬度. 当[Ca2++ Mg2+] > [HCO3- ]时, 暂时硬度=碳酸盐硬度.
3.表示方法： ☆毫克数（mg/L，以CaCO3计） ☆毫克当量数（meg/L）： 一升水中含Ca2＋、Mg2＋的
毫克当量总数。 离子的当量＝离子量（原子量）/ 离子价
☆ N2的单独存在，可说明地下水起源于大气并处于还原环 境.
大气中（Ar＋Kr＋Xe）/N2＝0.0118。据此可用以判断 地下水中N2的起源. ☆ H2S、CH4说明处于缺O2的还原环境。一般出现在封闭地 质构造的地下水中 。若浅部地下水中出现，则是受到了 污染。
2.增加水溶解盐类的能力，促进某些化学反应.
∑a —阳离子总含量(meq%)。 一般要求：全分析e<2%,
简分析e<5%, 否则结果不能采用。
(三）水化学成分的库尔洛夫式表示方法
特殊成分·气体成分·总矿化度(M)
阴离子（meg 阳离子（meg
％ ％＞ ＞1100％ ％者 者列 列入 入） ）t水温
1.凡是meg％＞10％的离子均列入分式。按由大到小的次 序在分子的位置上排列阴离子，分母位置上排列阳离子。
3. 脱碳酸作用 ◆ 定义：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。 ◆发生在温度或压力突变的地方。
如深部地下水上升形成的泉，往往在泉口形成 钙华；
在喀斯特地区溶洞内见到的石钟乳、石笋、石 柱等现象，都是由于脱碳酸作用的结果。
4. 脱硫酸作用：
SO42－＋2C＋2H2O H2S＋2HCO3－
75～150 150～300 300～450
＞450
硬度（meq/L） ＜1.5 1.5～3
3～6
6～9
＞9
硬度（H°） ＜4.2 4.2～8.4 8.4～16.8 16.8～25.2 ＞25.2
饮用水的适宜硬度一般为4.2～9 meg/L，即12~25H°.
（四）侵蚀性
1. 碳酸盐侵蚀
CaCO3＋H2O＋CO2
☆地下水循环深度的推算：
H T t h r
6.4 地下水化学成分的形成作用
1. 溶滤作用： 普遍发生，是主要作用。 ☆影响溶滤作用强度的因素： ①组成岩土的矿物盐类的溶解度。 ②岩土的空隙特征。 ③水的溶解能力。低矿化水溶滤作用强. ④水中CO2 、 O2等气体成分的含量。 ⑤水的流动状况。
◆元素在地下水中一般以离子、分子或气体状态 存在，以离子状态为主。
一、 地下水中主要气体成分
◆主要气体成分： O2、N2、CO2、CH4、H2S等，以前三种为主。
◆气体成分的意义：
1.反映了地下水所处的地球化学环境的特征.
☆ O2起源于大气并指示氧化环境。影响地下水中元素的迁 移和化学成分的形成。
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
钙钒石：CaO ·Al2O3 ·3CaSO4 ·32H2O 钙钒石体积约为原水化铝酸钙的2.5倍，从而引 起混凝土体积显著增大，结构疏松，遭受破坏。 ☆在SO42－含量高的水下建筑物中，可选用普通抗 硫酸盐水泥或高抗硫酸盐水泥。
3.酸性侵蚀 酸性水中铁置换H＋的作用称为酸性侵蚀。
☆当PH＝6.5时，水对铁质材料即有腐蚀作用，可将 水泵的使用年限缩短5％， ☆ PH<4时，各种金属设备只要泡上几天或十几天就 不能用了。
第六章 地下水的化学成分及其形成作用
6.1 研究地下水化学成分的意义 1.水是复杂的水溶液； 2.确定地下水的起源与形成。 3.各种目的利用地下水对水质有要求； 4.是宝贵的液体矿产，需要查明有关组分的富集规 律。 5. 作为找矿的标志。 6. 作为地下水污染程度的标志。
6.2 地下水的化学特征
◆元素在地下水中的含量，取决于其在地壳中的 含量及其溶解度。
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。
封闭的地质构造，如储油构造，是形成脱硫 酸作用的有利环境。
油田水中SO42－的含量极少甚至没有，而H2S 气体含量却很高。
5. 阳离子交替吸附作用 ◆离子吸附能力取决于： ① 离子价、离子半径。
离子价越高，离子半径越大，则吸附能力愈大。 H＋例外。
H＋>Fe3+>Al3+>Ca2+>Mg2+>K+>Na+。 ② 离子的浓度
◆全分析：在简分析的基础上选择有代表性的水样进行全分 析。以较全面地了解地下水化学成分。
☆特点：分析项目较多，要求精度高，并非是将水中的全 部成分都加以分析。而是简分析的补充和提高。
☆分析项目：HCO3－、SO42－、Cl－、CO32－ 、NO2－、 NO3－、Ca2＋、Mg2＋、K＋、Na＋、NH4＋、Fe2＋、Fe3＋、 H2S、CO2、耗氧量、PH值及干涸残余物。