6-溶解与沉淀过程-2解析

若方解石、白云石均达到溶解平衡，则
Ca /Mg K
2 2
2 C
/ KD
碳酸盐岩地区 其wk.baidu.com因素对地下水的影响

地下水温度的影响

大多数矿物的溶解度随温度增加而增大，但碳酸盐岩区的 主要矿物方解石与白云石恰好相反，而且溶解度随水温变 化较大。 对碳酸盐岩区而言，在地下水流动过程中，若沿流径水温 增加，则水中钙、重碳酸、TDS等可能不遵循含量随流程 增加而升高的规律；与此相反，由低温区到高温区，可能 产生方解石和白云石沉淀，地下水的TDS下降。 例如，融雪季节时地表附近对方解石饱和的低温水下渗至 地下常温带时，将达到过饱和，从而产生CaCO3沉淀，地 下水中的TDS将小于地表附近的入渗水。

开系统
特征：PCO2基本保持不变 判据 流量、水位动态对旱雨季响应明显 地下水中有来自地表的污染物（NO3-、Cl-、细菌） 地下水中的计算PCO2高于大气PCO2
岩溶地下水系统 开闭性对地下水的影响

HCO
3

开系统
K CO2 K 1 pCO2 [H ]
一门关于地下水的科学
水文地球化学
主讲：郭清海
不同岩性含水层中的溶解-沉淀作用

碳酸盐岩地区
复杂沉积岩地区
结晶岩地区
碳酸盐岩地区 地下水化学成分的形成和特征

碳酸盐岩约占地表沉积岩分布面积的20%
我国碳酸盐岩分布面积占整个国土面积的1/3，以西
南地区与华北地区最为发育。

主要分布于Z、Є、O、D、 C、P、T及部分J、K和N 的海相地层中。
碳酸盐岩地区 地下水组分形成的影响因素

地下水化学成分的形成与方解石和白云石 的溶解-沉淀过程密切相关:
受岩溶地下水系统开、闭性的影响 受水与矿物的相遇顺序影响 受其他矿物的影响 受地下水中其他组分的影响 受地下水流动过程中环境温度的影响
岩溶地下水系统 开闭性对地下水的影响

结果

地下水中的Ca2+与Mg2+的摩尔浓度之比略小于1或稍大于1。
第二种溶解顺序：方解石白云石
方解石的溶解不会产生使地下水达到对白云石饱和所必需 的Mg2+；
水流经白云石时，白云石的溶解将向地下水中加入更多的 Ca2+与CO32-，促使方解石沉淀；
方解石沉淀使水中Ca2+、 CO32-减少，这又进一步促进了 白云石溶解；此时白云石的溶解与方解石的沉淀同时存在， 属于不全等溶解过程。 结果：地下水中的Ca2+与Mg2+的摩尔浓度之比随流程不 断下降，最终如地下水同时达到对方解石与白云石的饱和， 地下水中的Ca2+与Mg2+的摩尔浓度之比与Kc和Kd有关。


碳酸盐岩地区 其他因素对地下水的影响

含水层中其他矿物的影响

不纯的灰岩与白云岩含石膏与硬石膏； 石膏与硬石膏的存在将引起同离子效应，使HCO3-含量下降。

地下水中其他组分的影响

埋藏型碳酸盐岩区，入渗水经过土壤带与其他上覆地层将增 加地下水中的易溶盐类，如Cl-、SO42-、Na+； TDS较高时，离子强度的增加会降低Ca2+ 、Mg2+ 、HCO3的活度系数，增加碳酸盐矿物的溶解度。


t<15C时，Kd ½ > Kc ；即白云石饱和后，水流经方解石时出现沉淀
t >15C时，Kd ½ < Kc ；即白云石饱和后，水仍能溶解方解石，此时 方解石的溶解将增加地下水中的Ca2+与HCO3-，使地下水对白云石 过饱和。但白云石的沉淀反应具有迟滞性，即使地下水达到对白云 石的过饱和，它也不会马上沉淀。



岩溶地下水系统 开闭性对地下水的影响
开、闭系统的化学成分比较
开系统 闭系统
PCO2
HCO3-、Ca2＋、TDS pH值
高
高 低（7～8）
低
低 高（>8）
形成泉华
出露地表后变化 地下水组分变化大
一般无泉华
地下水组分变化小
岩溶地下水系统 矿物溶解顺序对地下水的影响

地下水流动过程中所遇到的矿物的顺序不同，将 会导致地下水化学组分的差异 3种溶解顺序

闭系统
特征：PCO2不断下降。 判据 流量、水位动态对旱雨季无明显响应
地下水中无来自地表的污染物（NO3-、Cl-、
细菌）
地下水中计算PCO2较低
岩溶地下水系统 开闭性对地下水的影响

闭系统

PCO2快速下降，对方解 石白云石溶解能力降低， 达到饱和相对困难 HCO3与pH呈非线性, pH增加HCO3增加很少 HCO3、Ca、TDS低， pH高，SI<1 产生少量泉华

课堂作业
当地下水的水温为25℃，pH为7.2，
HCO3-含量为61mg/L时，试求地下水系统 中的CO2分压。注：在25℃时，pKCO2 = 1.47；pK1 = 6.35。
复杂沉积岩系统 地下水化学成分形成和演变

复杂沉积系统
岩石地层：如砂岩、灰岩、石膏层的互层 松散沉积物地层：如砂砾石层与粘性土层的互层 矿物种类比较齐全
Ca /Mg K
2 2
2 C
/ KD

第三种溶解顺序：同步溶解
同步溶解

由于方解石的溶解速度>>白云石，故方解石先饱和而沉淀， 白云石继续溶解；

结果：地下水中的Ca2+与Mg2+的摩尔浓度之比初始值高，后 来逐渐渐低；
如果白云石含量远大于方解石（如灰质白云岩），白云石将 先达到饱和，此时，方解石的溶解就更难了，最终形成的地 下水中的Ca2+与Mg2+的摩尔浓度之比可能小于前一种情况。
PCO2保持不变，方解石白云石 不断溶解至饱和 Lg (HCO3)与pH呈线形关系 HCO3,Ca,TDS高，pH低，SI 1 泉华：开系统中的地下水以泉 出露地表（从溶洞流出），CO2 溢出，Pco2降低，在泉口附近 形成CaCO3 或 CaMg(CO3)2 沉

岩溶地下水系统 开闭性对地下水的影响


白云石方解石


方解石白云石
同步溶解

第一种溶解顺序：白云石方解石

先遇白云石，饱和后，再遇方解石 对于以上的溶解顺序，地下水温度将对水化学过程产生影响 原因

Kc=[Ca2+][CO32-] Kd= [Ca2+][Mg2+][CO32-]2 {[Ca2+] [CO32-]} 2 T = 15C时，Kd ½ = Kc