第六章 地下水的物理性质及化学成分
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第六章_地下水的化学成分及其形成作用
• 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。
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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
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。
水文地质学基础 第六章 地下水的化学成分及其形成作用.
◆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。
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。
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。
水文地质学基础(课件)-中国地质大学(武汉)06_地下水的物理性质与化学性质
6.2 地下水的物理性质
6.2.2 温度
埋藏在不同深度的地下水，其温度变化规律不同。根据受热 源影响的不同，地壳表层可分为变温带、常温带及增温带。
变温带——受太阳辐射影响的地表极薄的带。近地表的地下水温 度受气温的影响较大，具有周期性的昼夜变化和季节变化：
温度具有昼夜变化的地下水，其埋藏深度一般在3-5m (1-2m)以内，
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。
人类活动对地下水物理性质和化学性质的影响，在时间上虽然非 常短，然而，在许多情况下这种影响已经深刻地改变了地下水的 面貌！
在实际生产和科研工作中，对地下水的物理性质 和化学性质的研究，有着重要意义：
阐明地下水的起源与形成； 揭示许多地质过程； 水质评价。 研究地下水中化学元素的时空分布特征和迁移转化 规律的学科是——水文地球化学。
度最小；钙的硫酸盐，特别是钙、镁 的碳酸盐的溶解度最小。
盐类 NaCl
溶解度 (0℃，g/L)
350
随着矿化度的增加，钙镁的碳 酸盐首先达到饱和析出，继续增大时， 钙的硫酸盐也饱和析出，因此，高矿 化水中便以易溶的氯和钠占优势了， 由于氯化钙的溶解度更大，因此在矿
KCl 290
MgCl2 CaCl2 Na2SO4 MgSO4 CaSO4
6.2.3 颜色
地下水的颜色主要由其成分和悬浮于其中的杂质所决定： 一般的地下水为无色； 含硫化氢气体的水，在氧化后由于有硫磺胶体产生，故常呈翠绿色； 硬度大的水为浅蓝色，含氧化亚铁的水呈浅蓝绿色，含氧化铁的水 呈褐红色；
含腐殖质的水多呈暗黄褐色。
含有悬浮杂质的水，其颜色决定于悬浮物的颜色，颜色深浅则取 决于悬浮物的多少。
分级
说
明
地质(王)06
主要离子成分
5、钾离子(K+)
（1）特点： 钾离子(K+)的来源与Na+相似。在低矿化度中甚微，而在高矿化度中 多。 虽然地壳中钾的含量高，且钾盐的溶解度也很大，但是因为K+容易被 粘土吸附，被植物吸收，同时参与形成难溶于水的次生矿物，所以在地下 水中含量不如Na+大。 由于K+、 Na+性质相近， K+含量低，在地下水分析中，两者合并计 算。 （2）来源： A、钾盐沉积岩的溶解； B、岩浆岩、变质岩的钾岩矿物风化溶解。
二、地下水的化学特征
★气体
O2、N2、CO2、CH4 及H2S等
★离子
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+）
★胶体物质
★有机物
★微生物
地下水中主要气体成分
氧（O2）、氮（N2）
来源： 主要来源于大气。 判别：
3、胶体：Fe(OH)3、A1(OH)3，及H2SiO3等。
4、有机质: 常以胶体方式存在于地下水中，常使地下水酸度增加，并 有利于还原作用。 5、微生物：在氧化环境中存在硫细菌、铁细菌等；在还原环境中存 在脱硫酸细菌等；此外，在污染水中，还有各种致病细菌。
主要的化学性质
总溶解固体（TDS）（矿化度）
导电性用导电率表示，单位：Ω-1×cm-1。导电率为电阻率的倒数。 淡水的电阻率为n×10-1 - n×10-3Ω，咸水的电阻率比淡水的电阻率小， 故可根据电阻率或导电率的不同，确定滨海地区咸水和淡水分界面及 其分布范围。
主要的物理性质
8. 温度
水交替缓慢时温度与地温一致，并取决于太阳辐射热能、地球内部热 流 。 地壳按热力状态从上而下分为变温带、常温带和增温带。 变温带：受太阳辐射热能影响，呈昼夜变化与季节变化。昼夜变化只 影响地表以下1~2m深度。变温带的下限为15~30m。
地下水的物理性质和化学成分
（2）颜色。纯水是无色 的，而地下水的颜色取决于水 中的化学成分及悬浮物。
1.1地下水的物理性质
（4）嗅味。纯水无嗅、无味 ，但当水中含有某些气体或有机质 时就会有某种气味。例如，水中含 H2S时有臭鸡蛋味，含腐殖质时有 霉味，等等。
（5）口味。地下水的味道主 要取决于水中的化学成分。
（6）比重。地下水的比重取 决于所含各种成分的含量。纯水比 重为1，但当水中溶解的各种成分 较多时可达1.2～1.3。
（1）主要离子成分。地下水中的阳离子 主 要 有 H+ 、 Na+ 、 K+ 、 NH4+ 、 Ca2+ 、 Mg2+ 、 Fe3+ 和 Fe2+ 等 ， 阴 离 子 主 要 有 OH- 、 Cl- 、 SO42-、NO2-、NO3-、HCO3-、CO32-、SiO32和PO43-等。一般情况下，在地下水化学成分 中占主要地位的是Na+、 K+ 、 Ca2+ 、 Mg2+ 、 Cl- 、 SO42-和HCO3-离子。它们是人们评价地 下水化学成分的主要项目。
1.2地下水的化学成分
（2）主要分子成分。地下水中的主要 分 子 成 分 有 Fe （ OH ） 3 、 Al （ OH ） 3 和 H2SiO3等。
（3）主要气体成分。地下水中常见的 气体有N2、O2、CO2、H2S。一般情况下， 地下水的气体含量每升只有几毫克到几十毫 克。
工程地质
工程地质
1.1地下水的物理性质
地下水的物理性质包括温 度、颜色、透明度、嗅味、口 味、比重、导电性及放射性等。
（3）透明度。纯水是透明 的，但当水中含有矿物质、机械 混合物、有机质及胶体物质时， 水的透明度就会改变，所含各种 成分越多，透明度越差。
1.1地下水的物理性质
（4）嗅味。纯水无嗅、无味 ，但当水中含有某些气体或有机质 时就会有某种气味。例如，水中含 H2S时有臭鸡蛋味，含腐殖质时有 霉味，等等。
（5）口味。地下水的味道主 要取决于水中的化学成分。
（6）比重。地下水的比重取 决于所含各种成分的含量。纯水比 重为1，但当水中溶解的各种成分 较多时可达1.2～1.3。
（1）主要离子成分。地下水中的阳离子 主 要 有 H+ 、 Na+ 、 K+ 、 NH4+ 、 Ca2+ 、 Mg2+ 、 Fe3+ 和 Fe2+ 等 ， 阴 离 子 主 要 有 OH- 、 Cl- 、 SO42-、NO2-、NO3-、HCO3-、CO32-、SiO32和PO43-等。一般情况下，在地下水化学成分 中占主要地位的是Na+、 K+ 、 Ca2+ 、 Mg2+ 、 Cl- 、 SO42-和HCO3-离子。它们是人们评价地 下水化学成分的主要项目。
1.2地下水的化学成分
（2）主要分子成分。地下水中的主要 分 子 成 分 有 Fe （ OH ） 3 、 Al （ OH ） 3 和 H2SiO3等。
（3）主要气体成分。地下水中常见的 气体有N2、O2、CO2、H2S。一般情况下， 地下水的气体含量每升只有几毫克到几十毫 克。
工程地质
工程地质
1.1地下水的物理性质
地下水的物理性质包括温 度、颜色、透明度、嗅味、口 味、比重、导电性及放射性等。
（3）透明度。纯水是透明 的，但当水中含有矿物质、机械 混合物、有机质及胶体物质时， 水的透明度就会改变，所含各种 成分越多，透明度越差。
六.地下水的物理性质
一、地下水主要的气体成分
氧（O2）、氮（N2）、二氧化碳（CO2）
硫化氢（H2S）、甲烷（CH4），
常见气体成分与地下水所处环境和地下水来源有关
二、地下水中主要离子成分
地下水中含量多的有七种离子
阴离子： HCO3- ， SO42- ， Cl-
阳离子： Ca2+,
Mg2+,
K+, Na+
地下水中常见的气体成分
常温带以下的地下水温度同地温一样随深度而增 加，可用下面公式来计算：
2.地下水的透明度
测定方法： 量筒（高100cm，直径3cm）＋黑十字线（粗3mm）
透明度分级： 透明的—无悬浮物，>60cm水深见图像 半透明的—少量悬浮物，30~60cm水深见图像 微透明的—有较多悬浮物，<30cm水深见图像 不透明的—大量悬浮物，似乳状，水深很小也看 不清图像
硬度表示方法 德国度（H0)：一升水含10mgCaO或7.2mgMgO； 毫克当量数（meq/L）：每升水中含有Ca2+、Mg2+毫克当量的 总数； 摩尔数（mol/L）：每升水中含有Ca2+、Mg2+摩尔的总数。
第三节 地下水化学成分的形成
地下水中化学成分是很复杂的，各种成分的形成 与地下水的起源及其以后的活动过程有关。 一、地下水原始化学成分的特点 地下水有着 多种不同的起源，不同起源的地下水，其原始 成分各有特点。
如氧、钙、钾、钠、镁等元素在地壳中分布甚广， 它们在地下水中也最常见，并且含量也较多。 而有些元素如硅、铁等在地壳中分布虽广，但由于 其溶解度低在地下水中含量并不多。 相反，另一些元素如氯等．在地壳中含量虽然较少， 但因其化合物的溶解度大，在地下水中却大量存在。 在地下水中这些元素一般以离子、化合物、分子及 游离气体状态存在，但以离子状态为主。
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
墨水味 锈味 甜味 水中含有氧化亚铁 水中含有氧化铁 水中含有大量有机质
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。
地下水的物理性质与化学成分PPT课件
3、横线后以字母t为代号, 表示水温, 单位为℃ 。 4、式中各成分含量一律标于该成分符号的右下角,
原子数则移至右上角。
舒卡列夫的水化学类型分类
1、根据水中各阴、阳离子含量, 将大于25%毫 克当量百分数的离子参加分类命名。阴离子在前, 阳离子在后, 含量大的在前, 含量小的在后, 中间 用短横线相连来对地下水化学类型进行命名。
大骨节病与克山病 病因：缺钙、硫、硒等元素；饮用水中含过量的 腐殖酸。
慢性氟中毒
3.4.2 地下水污染及其与人类生存的关系
脱硫酸作用的结果 SO42-减少以至消失; HCO3-增加; pH值变大。
不同位置发生的水化学作用不同
浓缩 混合
脱碳酸
氧化作用 还原作用
溶滤作用
交替吸附 脱硫酸
3.4 地下水化学特征与为类生存的关系
在天然状态下，水中存在的有害物质或缺乏某些 人体所必需的物质问题，称之为第一类环境地质 问题或原生的环境地质问题。
（7）镁离子 主要来源于地下水对白云岩及泥灰岩的溶解。
镁盐的溶解度虽然比钙盐大，但镁离子容易被植 物吸收，所以在地下水中的含量一般比钙离子少。
3.2.2 地下水化学成分的性质
1. 总含盐量与总溶解固体（TDS）
定义：存在于地下水中的离子、分子和微粒（不
包括气体）之总含量称为地下水的总食盐量，通
常以 g/L 表示。
SO42-
Cl-
HCO3SO42-
Cl-
HCO3-
SO42Cl-
阳离子交替和吸附作用 一定条件下，颗粒将吸附地下水中的某些阳离子，
而将原来吸附的部分阳离子转为地下水中的组分，即 为阳离子交替和吸附作用。 影响因素：
岩土颗粒的比表面积； 阳离子吸附于颗粒表面的能力； 地下水中某些离子的相对浓度。
原子数则移至右上角。
舒卡列夫的水化学类型分类
1、根据水中各阴、阳离子含量, 将大于25%毫 克当量百分数的离子参加分类命名。阴离子在前, 阳离子在后, 含量大的在前, 含量小的在后, 中间 用短横线相连来对地下水化学类型进行命名。
大骨节病与克山病 病因：缺钙、硫、硒等元素；饮用水中含过量的 腐殖酸。
慢性氟中毒
3.4.2 地下水污染及其与人类生存的关系
脱硫酸作用的结果 SO42-减少以至消失; HCO3-增加; pH值变大。
不同位置发生的水化学作用不同
浓缩 混合
脱碳酸
氧化作用 还原作用
溶滤作用
交替吸附 脱硫酸
3.4 地下水化学特征与为类生存的关系
在天然状态下，水中存在的有害物质或缺乏某些 人体所必需的物质问题，称之为第一类环境地质 问题或原生的环境地质问题。
（7）镁离子 主要来源于地下水对白云岩及泥灰岩的溶解。
镁盐的溶解度虽然比钙盐大，但镁离子容易被植 物吸收，所以在地下水中的含量一般比钙离子少。
3.2.2 地下水化学成分的性质
1. 总含盐量与总溶解固体（TDS）
定义：存在于地下水中的离子、分子和微粒（不
包括气体）之总含量称为地下水的总食盐量，通
常以 g/L 表示。
SO42-
Cl-
HCO3SO42-
Cl-
HCO3-
SO42Cl-
阳离子交替和吸附作用 一定条件下，颗粒将吸附地下水中的某些阳离子，
而将原来吸附的部分阳离子转为地下水中的组分，即 为阳离子交替和吸附作用。 影响因素：
岩土颗粒的比表面积； 阳离子吸附于颗粒表面的能力； 地下水中某些离子的相对浓度。
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）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）；发生化学反应岩石圈水圈交换化学成分中矿化水中（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； 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。
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（三）地下水中的其他成分 1、微量组分——说明地下水形成的环境 2、胶体化合物 来源于有关矿床的风化溶解。 有机胶体，在气候炎热的沼泽地带的地下 水中含量较高 • 3、有机质 • 由生物的排泄物和生物遗骸分解形成。主 要分布于含石油、沥青、煤、泥炭、淤泥 等岩石中。 • 4、微生物——可以指示地下水所处的环境
地下水中CO2增加，水对碳酸盐岩的溶解、结晶 增加，水对碳酸盐岩的溶解、 地下水中 风化溶解能力愈强！ 岩风化溶解能力愈强！
）、地下水中主要离子成分 （二）、地下水中主要离子成分
地下水中含量多的有七种离子，阴离子： 地下水中含量多的有七种离子，阴离子：HCO-3，SO2-4，Cl阳离子： 阳离子： Ca2+, Mg2+, K+, Na+ 低含盐量的地下水——HCO-3、 Ca2+、Mg2+ 低含盐量的地下水 、 中等含盐量的地下水—— Ca2+、SO2-4、Na+ 主要原因：水中盐 中等含盐量的地下水 主要原因： 高含盐量的地下水—— Cl-、Na+ 高含盐量的地下水 类溶解度不同所致 碳酸盐类 < 硫酸盐类 < 氯化物 1、氯离子——最稳定的离子，是地下水含盐量多寡的标志 氯离子——最稳定的离子， ——最稳定的离子 来源： 来源：沉积岩中所含岩盐或其他氯化物溶解 岩浆岩中含氯矿物的风化溶解 海水入侵 火山喷发物的溶滤 人为污染
• 总硬度 = 暂时硬度 ＋ 永久硬度
• （四）地下水的侵蚀性——含侵蚀性CO2的 水、硫酸盐对混凝土的侵蚀；酸性水对机 械设备的侵蚀
溶滤作用—水岩相互作用时发生， 溶滤作用—水岩相互作用时发生，岩石成分溶解进入地下水 浓缩作用—蒸发排泄时发生，水分蒸发， 浓缩作用—蒸发排泄时发生，水分蒸发，矿化度不断增加 脱碳酸作用—在温度与压力发生变化时发生， 脱碳酸作用—在温度与压力发生变化时发生，溶解性碳酸盐沉淀 析出，硬度降低，pH值增大。 析出，硬度降低，pH值增大。 值增大 脱硫酸作用—在还原环境下发生： S↑。 脱硫酸作用—在还原环境下发生：SO42-→ H2S↑。脱硫细菌将硫 酸根还原成硫化氢，pH值增大 ——寻找油田的标志 酸根还原成硫化氢，pH值增大 ——寻找油田的标志 阳离子交替吸附作用—水中阳离子与岩土颗粒发生电性吸附， 阳离子交替吸附作用—水中阳离子与岩土颗粒发生电性吸附，吸 附能力强的置换吸附能力弱的 混合作用— 种不同类型地下水混合时发生， 混合作用— 2种不同类型地下水混合时发生，产生新成分 人类活动的作用——影响越来越大 主要发生在： 生产、 人类活动的作用——影响越来越大。主要发生在： 1 ）生产 、 生 —— 影响越来越大。 活废水、废渣排放； 施工、采矿、打井等人类活动， 活废水 、废渣排放； 2 ） 施工、 采矿、打井等人类活动，影响地 下水位， 下水位，从而影响水质
（一）、地下水中常见的气体成分 ）、地下水中常见的气体成分
）、氮 ）、二氧化碳 二氧化碳（ 氧（O2）、氮（N2）、二氧化碳（CO2） 、 硫化 ）、甲烷 氢（H2S）、甲烷（CH4） ）、甲烷（ 地下水中气体成分的意义： 地下水中气体成分的意义： 意义 气体成分——指示地下水所处的地球化学环境 指示地下水所处的地球化学环境 气体成分
• 矿化度 矿化度(g/L) : 低(<1) 阴 离 子: HCO-3 阳 离 子: Ca2+ 中(1-10) (1SO2-4 Ca2+,Mg2+ 高(10-30) (10ClNa+,K+
• （三）硬度——由钙镁离子的含量构成 • 总硬度：水中所含钙镁离子总量 • 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部分钙镁离 子含量 • 永久硬度：水加热沸腾后，仍留在水中的 钙镁离子含量。主要是钙镁离子的硫酸盐 和氯化物
水中存 在的物 质 气味
硫化氢
腐殖质
亚铁离 子 铁腥气 味
Hale Waihona Puke 腐蛋气 味鱼腥气 味
水温越 高，气 味越显 著
• 五、味道——来源于盐分及气体（20-30℃明显）
水中存在的 物质 NaCl Na2SO4 MgCl、 、 MgSO4 大量有机质 FeO
口味 咸味 涩味
水中存在的 物质 Fe2O3 腐殖质
口味 铁锈味 沼泽味 酸味
• 二、颜色 •
水中的物质及颜色
含粘 含悬 腐植 土 浮物 酸 质 取决 暗黄、 于悬 灰黄 浮物 颜色
水中 硬水 低价 高价 硫化 硫细 锰 铁 铁 氢 菌 含有 物质
水的 浅兰 灰蓝 黄褐 翠绿 红色 暗红 无荧 颜色 光的 淡黄 色
• 三、透明度 • 取决于水中固体矿物质、有机物和胶体悬浮物的含量。 • 透明的 微浊的 混浊的 极浊的 • 四、气味
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2、硫酸根离子——总含量仅次于氯离子 来源：含石膏或其他硫酸盐的沉积岩的溶解 天然硫或硫化矿物的氧化 酸雨下渗 3、重碳酸根离子 来源：各种碳酸盐岩类地溶解 岩浆岩与变质岩地区的重碳酸根离子主要来 自铝硅酸盐矿的风化溶解 4、钠离子——分布最广的阳离子 来源：沉积岩中岩盐及其钠盐的溶解 岩浆岩和变质岩中的含钠矿物的风化溶解 海水入侵 地下水中的钙镁离子可将岩土中吸附的钠离 子置换出来
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5、钾离子——易被植物摄取和岩土颗粒吸附 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 6、钙离子——是低含盐量地下水的主要阳离子 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、镁离子——易被植物摄取和岩土颗粒吸附 来源：白云岩、泥灰岩等碳酸盐岩的溶解 岩浆岩及变质岩中含镁钙矿物的风化溶解
• 二、地下水化学成分的性质 • （一）酸碱性——判定水中碳酸的存在形式 • 按pH值分为：强酸性水、弱酸性水、中性水、弱碱性 水、强碱性水 • 可以判断水中碳酸的存在形式及其百分含量 • （二）总矿化度——地下水中所含各种离子、分子及 化合物的总量，也称为总溶解固体（TDS） TDS也就是溶解于水中的固体的总量。测量单位mg/L， 它表明1升水中溶有多少毫克溶解性总固体。水中溶解 物越多，水中的TDS值就越大，水的导电性也越好。
过渡区 矿化度中、 矿化度中、SO4--MgCa
浓缩作用 水流迟缓 矿化度高、 矿化度高、Cl--Na
• 第四节 地下水化学成分分析与资料整理 • 一、地下水化学成分分析的内容 • 1、简分析：项目少、水样多、精度低—— 用于普查 • 2、全分析：项目多、将度高、20项以上— —用于详查 • 3、专项分析：工作任务需要，一项或几项
第二节 地下水的化学成分
地下水不是纯的H ，而是天然溶液 含有各种组分。 天然溶液， 地下水不是纯的 2O，而是天然溶液，含有各种组分。 水是良好的溶剂，在空隙中运移时，可溶解岩石中的成分。 水是良好的溶剂，在空隙中运移时，可溶解岩石中的成分。在 自然界水循环过程 水循环过程中 地下水与大气圈、 自然界水循环过程中，地下水与大气圈、水圈与生物圈同时发 生着水量和化学成分的交换 化学成分的交换。 生着水量和化学成分的交换。 一、地下水中常见的化学成分 化学性质：气体成分、离子成分、胶体物质、有机质等。 化学性质：气体成分、离子成分、胶体物质、有机质等。 是岩石中元素迁移、分散与富集的载体 载体。 水是岩石中元素迁移、分散与富集的载体。研究许多地质作用 时都不能不涉及地下水的化学作用。 时都不能不涉及地下水的化学作用。 不同的用水目的在利用地下水时，对水的质量有一定要求 不同的用水目的在利用地下水时， 饮用水、锅炉用水、地下水对混凝土的侵蚀性等） （如：饮用水、锅炉用水、地下水对混凝土的侵蚀性等） 研究地下水的化学成分与作用必须与地下水的流动条件结合 研究地下水的化学成分与作用必须与地下水的流动条件结合 化学成分与作用必须与地下水的流动条件
苦味（ 苦味（引起 H2S-CO2同 呕吐、腹泻） 呕吐、腹泻） 时存在 甜味 墨水味
CO2及适量 可口 Ca(HCO3)2、 Mg(HCO3)2
• 六、导电性 • 取决于各种离子的含量和离子价，离子含 量越高，离子价越高，水的导电性越强 • 七、放射性 • 取决于水中所含放射性元素的数量，一般 地下水放射性微弱，但埋藏和运动于放射 性矿床及酸性火成岩分布区的地下水，其 放射性显著增强。
二、地下水化学分析资料整理 离子当量=离子量/离子价 离子毫克当量数=离子毫克数/离子当量 某离子的毫克当量百分数=某离子毫克当量 数/离子当量总数*100% • 水的类型：毫克当量百分数>25%的离子参 与命名。且阴离子在前、阳离子在后；含 量大的在前，含量小的在后。 • • • •
第六章 地下水的物理性质及化学 成分
——反应地下水的形成环境和形成过程，有助 于阐明地下水的起源、形成和分布规律。并且 通过分析其成分有利于不同部门对水质的不同 要求
• 本章内容 • 第一节 地下水的物理性质 • 第二节 地下水的化学成分 • 第三节 地下水化学成分的形成 • 第四节 地下水化学成分的分析与资料整理 • 第五节 地下水按化学成分分类
第三节 地下水化学成分的形成
地下水化学特征具有分布性 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， 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）。 地下水的化学特征往往具有一定的分带性（空间上的）。
丘陵
倾斜平原区
低平原
溶滤作用 水交替迅速 矿化度低、 矿化度低、HCO3--Ca
氧化环境、 氧化环境、 还原环境
气体成分— 气体成分 可以增加水对盐类的溶解能力
促进水→岩的化学反应， 促进水→岩的化学反应，相互作用
地下水中常见的气体成分 1、氧（oxygen, O2）、氮（nitrogen, N2） 、 ）、氮 起源：大气圈随降水入渗进入含水层中，如富含 起源：大气圈随降水入渗进入含水层中，如富含O2与 N2 ——说明地下水是大气起源的 说明地下水是大气起源的 环境：在封闭环境下，氧被耗尽只剩下 环境：在封闭环境下，氧被耗尽只剩下N2，若符合惰性气 体和氮气的比值， 体和氮气的比值，指示水是大气起源且处于封闭环境 2、硫化氢（H2S）、甲烷（methane, CH4） 、硫化氢（ ）、甲烷 ）、甲烷（ 这两种气体都是在较封闭环境中， 这两种气体都是在较封闭环境中，在有机质与微生物参与 生物化学过程中形成。还原环境下： 的生物化学过程中形成。还原环境下： 中形成 SO2-4 → H2S，成煤过程，煤田水 ，成煤过程， 成油过程， 成油过程，油田水