第七章 地下水的化学组分

随着溶滤作用的进行：
氯化物(转入水中) 被水带走
被水带走
硫酸盐
碳酸盐及硅酸盐
主要化学组分
主要化学组分
(难溶)
在时间上：
一个地区经受溶滤作用愈强烈，时间愈长，地下水的矿化度愈低，愈是以难溶离 子为其主要成分。
在空间上：
气候愈是潮湿多雨，地质构造的开启性愈好，岩层的导水能力愈强，地形切割愈 强烈，地下水的径流与交替愈迅速，地下水的矿化度愈低，难溶离子的相对含量 也就愈高。
产生浓缩作用的条件：[5]
1. 气候：干旱半干旱；
2. 地势：低平；
3. 地下水位：埋藏浅；
排泄区（从别处带来的盐分在排泄区集聚）。
３．脱碳酸作用 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。 Ca2+2HCO3→CO2↑+H2O+CaCO3↓ Mg2+2HCO3→CO2↑+H2O+MgCO3↓ 结果： ① 地下水中HCO3、Ca2、Mg2减少； ② 矿化度降低。
两个公式： ① 利用地温梯度（），概略计算某一深度的地下水水温（T）： T=t+(Ｈ－h) 式中：t––––年平均气温； H––––地下水埋深； h––––常温带深度。 ② 利用地下水温（T），推算其大致循环深度（H）：
H T t h

7．4 地下水化学成分的形成作用
地下水主要来源于大气降水，大气降水的矿化度一般为0.02~0.05g/L，进入含水 层后，水与岩土作用，矿化度升高，化学成分发生变化。 1．溶滤作用 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。 溶滤作用的结果：岩土失去一部分可溶物质； 地下水则补充了新的组分。 影响溶滤作用的因素：[4] 1）岩土中矿物盐类的溶解度： 首先：NaCl迅速转入水中，SiO2很难溶于水中。 2）岩土的空隙： 空隙发育，溶滤作用强，否则弱。 3）水的矿化度： 低矿化水溶解能力强，而高矿化水溶解能力弱。
造成这种现象的主要原因是水中盐类溶解度的不同： [3]
碳酸盐 硫酸盐 氯盐
小
溶解度
大
HCO3低
SO42矿化度
Cl高
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。 特点：
地下水中的同位素组成
地下水中存在多种同位素，最有意义的是氢(1H、2H、3H)， 氧(16O、17O、18O)，碳(12C、13C、14C).。
氘(2H或D)及氧-18(18O)是常见氢氧稳定同位素，由于质量不 同，在转化时发生分馏。例如，蒸发时重同位素(2H、18O) 不易逸出，在液态水中相对富集；凝结时液态水中也富集 重同位素。因此，降水中氢氧重同位素丰度的分布存在多 种效应。
2．地下水中主要离子成分
溶解性总固体：溶解性总固体是指溶解在水中的无机盐和有机物的总称(不 包括悬浮和溶解 气体等非固体组分)，用缩略词TDS表示。ml/L或g/L 总矿化度（总溶解固体）––––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）。单位：g/L。 矿化度M––––degree of mineralization； 总溶解固体TDS––––total dissolved solid。 现已开用采用溶解总固体代替总矿化度。 按溶解性总固体含量(g/L)，将地下水分类如下： 淡水<1； 微咸水：1～3； 咸水：3～10； 盐水：10～50； 卤水：>50；
还原环境中存在：脱硫酸细菌； 在污水中：各种致病细菌。
7．3 地下水的温度
地壳表层有2个热源
1) 太阳辐射； 2) 地球内部的热流。
地壳表层可分为3个带：
1）变温带：受太阳辐射影响，地温随昼夜与季节变化；
变温带
2）常温带：地温接近常数，一般比当地年平均气温高１~2℃； 常 温 带
3）增温带：受地球内部热流的影响，随深度加大地温升高。
氚(3H)及碳-14(14C)是常见的放射性同位素，可以测定地下 水平均贮留时间(年龄)，测年范围分别为50-60万及5万-6万 年。
4．地下水中的其他成分 除主要离子（七大离子）外，地下水中还有其他成分： 1）次要离子：H+、Fe2+、Fe3+、Mn2+、NH4+、OH、NO2、NO3、CO32、 SiO32、PO43等； 2）微量组分（元素）：Br、I、F、B、Sr等； 3）胶体成分：Fe(OH)3、Al(OH)3、H2SiO3等； 4）有机体； 5）微生物：如氧化环境中存在：硫细菌、铁细菌；
泉口的钙华现象即脱碳酸作用。
４．脱硫酸作用 在还原环境中，当有有机质存在时，脱硫酸细菌使SO42还原为H2S––––脱硫酸 作用。
SO42+2C+2H2O→H2S+2HCO3 结果： ① 水中SO42减少以至消失； ② HCO3增加，pH值变大。 如：封闭的地质构造是产生脱硫酸作用的有利环境。
测定： ① 一般以105 110C时将水蒸干所得的干涸残余物总量来表示矿化度（M）； ② 将分析所得阴阳离子含量相加，相加时HCO3只取重量的一半，因为在蒸干 时，有近一半的HCO3分解为CO2、H2O而逸失。 总硬度––––水中所含钙离子和镁离子的总量。
来自百度文库
2．地下水中主要离子成分
7大离子：Cl、SO42、HCO3、Na、K、Ca2、Mg2。[2] 低矿化水中（M<1 2g/L）：HCO3、Ca2+、Mg2+为主（难溶物质为主）； 中矿化水中（M=2 5g/L）：SO42、Na+、Ca2+为主； 高矿化水中（M>5g/L）：Cl、Na+为主（易溶物质为主）。
第七章 地下水的化学组分及其 演变
7．1 概 述 7．2 地下水的化学特征 7．3 地下水的温度 7．4 地下水化学成分的形成作用 7．5 地下水化学成分的基本成因类型 7．6 地下水化学成分的分析内容与分类图示
7．1 概 述
地下水不是化学纯的H2O，而是一种复杂的溶液。
天然：
发 生 化 学 反 应
地温梯度（）––––是指每增加单位深度时，地温的增值。 单位：℃/100m。
增温带
地温梯度的平均值为3℃/100m，一般1.5 ~ 4℃/100m。
地下水的温度受地温控制： 1）变温带地下水：水温有较小的季节性变化；
地壳表层可分为3个带：
2）常温带地下水：水温与当地平均气温接近；
3）增温带地下水：随地温梯度的增加而增加，甚至成为热水。
7．1 概 述
对地下水的研究
1）水量→地下水动力学 2）水质→水文地球化学
→水文地质学的理论基础
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； 因此，不能从纯化学角度，孤立、静止的研究地下水的 化学成分及其形成，而必须从水与环境长期相互作用的 角度出发，去揭示地下水化学演变的内在依据与规律。
７）Mg2+ 来源及分布与Ca2+相近： ① 含镁的碳酸盐类沉积岩（白云盐、泥灰盐）； ② 岩浆岩、变质岩中含镁矿物的风化溶解。 Mg2+在低矿化水中通常含量较Ca2+少。 部分原因是由于地壳组成中Mg2+比Ca2+少；碱性岩浆岩中的地下水，含Mg2+较 高。 地下水中各种离子的测定方法，参阅《水质分析》的有关书籍。
３）HCO3 低矿化水的主要阴离子。来源： ① 含碳酸盐的沉积盐（石灰岩、白云岩）与变质岩（大理盐）： CaCO3+H2O+CO2→2HCO3+Ca2+ MgCO3+H2O+CO2→2HCO3+Mg2+ ② 岩浆岩与变质岩地区，HCO3主要来源于铝硅酸盐矿物的风化溶解。 ４）Na+ 高矿化水中的主要阳离子。 来源： ① 沉积岩中岩盐及其它钠盐的溶解； ② 海水； ③ 岩浆岩和变质岩地区含钠矿物的风化溶解； ④ 酸性岩浆岩中大量含钠矿物，在CO2、H2O的参与下，将形成低矿化的以 Na+、HCO3为主的地下水。
2FeS2+7O2+2H2O→2FeSO4+4H++2SO42 （黄铁矿）
注意：
① 由于煤系地层（C–P）常含有很多黄铁矿（硫铁矿），因此流经这类地层的 地下水往往以SO42为主； ② 金属硫化物矿床附近的地下水中常含有大量的SO42； ③ 煤的燃烧产生大量SO2，与大气中的水汽结合形成含硫酸的降雨→酸雨，从 而使地下水中SO42增加； ④ 在我国能源消耗中，煤占70%以上，我国每年向大气排放的SO2已达 1800104t之多，因此，地下水中SO42的这一来源不容忽视。
５．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。（离子在岩土与水之间交替）
不同阳离子吸附能力的大小：
H > Fe3 > Al3+ > Ca2 > Mg2 > K > Na ① 离子价愈高，离子半径愈大，则吸附能力也愈大，H例外； ② 地下水中某种离子的相对浓度愈大，交替吸附作用也就愈强； ③ 颗粒愈细，比表面积愈大，交替吸附作用也就愈强； ④ 粘土及粘土岩类最容易发生交替吸附作用。
7．2 地下水的化学特征
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。 1．地下水中主要气体成分 O2 、N2 、CO2 、CH4 、H2S等。尤其以前三种为主。 气体含量的意义？[1] 1）O2 、N2 地下水中的O2 、N2主要来源于大气。地下水中的O2含量多→说明地下水 处于氧化环境。在较封闭的环境中O2耗尽，只留下N2，通常说明地下水起 源于大气，并处于还原环境。 2）H2S 、甲烷（CH4） 地下水中出现H2S、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。 3）CO2 CO2主要来源于土壤。化石燃料（煤、石油、天然气）→CO2（温室气体） →温室效应→全球变暖。 地下水中含CO2愈多，其溶解碳酸盐岩的能力便愈强。
岩 石 圈
水 圈
交 换 化 学 成 分
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。
２．浓缩作用 主要发生在干旱半干旱地区的平原与盆地的低洼处。 当地下水位埋藏较浅时，蒸发强烈，蒸发成为地下水的主要排泄去路。
蒸发作用→
1）水分排走； 2）盐分保留下来。
随着时间的增加，地下水溶液逐渐浓缩，M增大。随着矿化度的上升，溶解度 较小的盐类在水中相继达到饱和而沉淀析出，易溶盐类（如NaCl）的离子逐 渐成为水中主要成分。
① Cl不为植物及细菌所摄取，不被土粒表面所吸附，氯盐溶解度大，不易沉 淀析出，是地下水中最稳定的离子；
② Cl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。
2）SO42 中等矿化的地下水中，SO42为主要阴离子。 来源：
① 含石膏（CaSO4·2H2O）或其它硫酸盐的沉积岩的溶解； ② 硫化物的氧化：
５）K+ 高矿化水中含量较多。 来源与分布特点与Na+相近： ① 含钾盐类沉积岩的溶解； ② 岩浆岩、变质岩中含钾矿物的风化溶解。 在地壳中K与Na的含量相近，但在地下水中K+的含量比Na+少得多，这是因为： ① 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）； ② 易为植物所摄取。 由于K+含量少，分析比较费事，所以一般将K+归并到Na+中，不另区分。 ６）Ca2+ 是低矿化水中的主要阳离子。 来源： ① 碳酸盐类沉积物及含石膏沉积物的溶解； ② 岩浆岩、变质岩中含钙矿物的风化溶解。
4）水中CO2、O2等气体成分： 水中CO2含量愈高，溶解碳酸盐及硅酸盐的能力愈强。 水中O2含量愈高，溶解硫化物的能力愈强。 5）水的流动状况： 停滞的地下水，最终将失去溶解能力； 流动的地下水，经常保持强的溶解能力。 地下水的径流与交替强度是决定溶滤作用强度的最活跃、最关键的因素。
那么，是否溶滤作用愈强烈，地下水中的化学组分含量就愈多呢？