地下水的化学组分及其演变
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地下水的化学组分及其演变
• 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。
§7
地下水的化学组分及其演变
• 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
• 单位：℃/100m。 • 地温梯度的平均值为3℃/100m，一般1.5 ~ 4℃/100m。
§7
地下水的化学组分及其演变
• 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；
• 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
地下水的化学组分及其演变
•两个公式：
•① 利用地温梯度（γ），概略计算某一深度的地下水水温（T）：
• T=t+(Ｈ－h) γ
•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
地下水的化学组分及其演变
• 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。
§7
地下水的化学组分及其演变
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。
地下水基本成因类型与化学成分形成特征
人为因素影响下，形成酸雨，使得雨水的矿化度、 成分、氧化-还原性质、侵蚀性等方面都有所变化。
2、植物-土壤影响阶段（包气带水—岩作用阶段）
雨水降落到地表，在多数情况下先与植物和土壤相遇，并 开始成为地下水（土壤水），植物和土壤对于水的成分显 示了重要的影响。
（1）植物 使水富集一些元素，雨水流经植物根部时，经常 会富集一些植 物中的生物成因元素；
位于不同景观带的土壤，对于地下水成分的影响是不同的。 例如，在森林地带，经过土壤层后，地下水富集了硅、铝、 有机酸；在草原地带，地下水溶解了大量的盐类组分。而 在碱性土分布区，可形成碱性水（PH>7），矿化度可以 较高。
氧化还原作用，溶解作用，生物因素
（4）植物-土壤影响阶段地下水的共同特征：
• 相对于原生铝硅酸盐，一般土壤水都未达到饱和状态，即 具有溶解原生铝硅酸盐的能力。
• 土壤水中含有数量可观的碳酸类化合物，这包括游离碳酸 （ CO2）、HCO3-、CO32-以及仍未被氧化的有机化合物， 后者的进一步分解将使水中碳酸化合物含量进一步提高。
这两点共同特征决定了渗入成因地下水在经过植物-土壤影 响阶段后，仍具有很强的与围岩介质发生反应的能力。
3、水-岩相互作用阶段 地下水进入含水层中，与岩石相接触，发生相互作用。 • 围岩与水之间的地球化学作用类型：溶解作用和氧化
三、沉积成因地下水化学成分的形成与特征
（以海相封存水为例）
由于海相沉积占地壳表层沉积的绝大部分，海 水成分相对较为稳定，因此已有的研究大多集 中在海相沉积-埋藏水上。近年来，注意力开始 转向陆相沉积成因水。 形成过程： 含于沉积物中的水成分(地表水体)→后生作用 (挤压、变形、变质、热液交代、风化等作用) →沉积水.
一、地下水基本成因类型
2、植物-土壤影响阶段（包气带水—岩作用阶段）
雨水降落到地表，在多数情况下先与植物和土壤相遇，并 开始成为地下水（土壤水），植物和土壤对于水的成分显 示了重要的影响。
（1）植物 使水富集一些元素，雨水流经植物根部时，经常 会富集一些植 物中的生物成因元素；
位于不同景观带的土壤，对于地下水成分的影响是不同的。 例如，在森林地带，经过土壤层后，地下水富集了硅、铝、 有机酸；在草原地带，地下水溶解了大量的盐类组分。而 在碱性土分布区，可形成碱性水（PH>7），矿化度可以 较高。
氧化还原作用，溶解作用，生物因素
（4）植物-土壤影响阶段地下水的共同特征：
• 相对于原生铝硅酸盐，一般土壤水都未达到饱和状态，即 具有溶解原生铝硅酸盐的能力。
• 土壤水中含有数量可观的碳酸类化合物，这包括游离碳酸 （ CO2）、HCO3-、CO32-以及仍未被氧化的有机化合物， 后者的进一步分解将使水中碳酸化合物含量进一步提高。
这两点共同特征决定了渗入成因地下水在经过植物-土壤影 响阶段后，仍具有很强的与围岩介质发生反应的能力。
3、水-岩相互作用阶段 地下水进入含水层中，与岩石相接触，发生相互作用。 • 围岩与水之间的地球化学作用类型：溶解作用和氧化
三、沉积成因地下水化学成分的形成与特征
（以海相封存水为例）
由于海相沉积占地壳表层沉积的绝大部分，海 水成分相对较为稳定，因此已有的研究大多集 中在海相沉积-埋藏水上。近年来，注意力开始 转向陆相沉积成因水。 形成过程： 含于沉积物中的水成分(地表水体)→后生作用 (挤压、变形、变质、热液交代、风化等作用) →沉积水.
一、地下水基本成因类型
地下水的物理性质和化学成分ppt课件
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-
地下水化学成分的性质
• 氢离子浓度 地下水的酸性和碱性的程度，取决于水中氢离子的浓
度大小 大多数地下水的pH值在6.5-8.5之间，北方地区多为
pH=7-8的弱碱水
20
-
地下水化学成分的性质
• 硬度 总硬度：地下水中所有Ca2+、Mg2+离子的总含量 暂时硬度：将水加热至沸腾周，由于形成碳酸盐沉淀
第四章 地下水的物理性质 和化学成分
1
-
4.1 地下水的物理性质
2
-
地下水的物理性质、化学成分特征是地下水与环境 （自然地理、地质背景及人类活动）长期作用的结果。 地下水的化学性质为认识和了解地下水形成的地质历史 条件和过程提供依据
地下水在岩石的孔隙、裂隙或溶洞中储存和运动时， 溶滤和溶解着岩石的可溶成份，使地下水变成了含有各 种矿物质的天然溶液，而且随着运动环境和运动过程的 变化，地下水的化学成分也不断地更迭着
(6) 镁离(Mg2+)
-
泥石
18
地下水化学成分的性质
• 总含盐量与总溶解固体(TDS) 总含盐量：存在于地下水中的离子、分子和微粒(不
包括气体)之总含量 总溶解固体(TDS)：通常在105-110℃温度下将水样蒸
干后所得干涸残余物的总量
TDS ≈总含盐量-1/2HCO3TDS是反映地下水化学成分的主要指标：TDS含量低的 淡S要O水成42-为以分主HC要O3成-为分主；要T成DS分含；量T高DS的含盐量水中和等卤的水盐常质以水C常l-为以主
36
-
地下水在运动过程中的各种作用
(2)水中阳离子的浓度 水中某种阳离子浓度越大，则其交替吸附能力就越强，
甚至可以发生吸附能力小的交替岩土颗粒表面吸附能力 大的阳离子
-
地下水化学成分的性质
• 氢离子浓度 地下水的酸性和碱性的程度，取决于水中氢离子的浓
度大小 大多数地下水的pH值在6.5-8.5之间，北方地区多为
pH=7-8的弱碱水
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地下水化学成分的性质
• 硬度 总硬度：地下水中所有Ca2+、Mg2+离子的总含量 暂时硬度：将水加热至沸腾周，由于形成碳酸盐沉淀
第四章 地下水的物理性质 和化学成分
1
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4.1 地下水的物理性质
2
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地下水的物理性质、化学成分特征是地下水与环境 （自然地理、地质背景及人类活动）长期作用的结果。 地下水的化学性质为认识和了解地下水形成的地质历史 条件和过程提供依据
地下水在岩石的孔隙、裂隙或溶洞中储存和运动时， 溶滤和溶解着岩石的可溶成份，使地下水变成了含有各 种矿物质的天然溶液，而且随着运动环境和运动过程的 变化，地下水的化学成分也不断地更迭着
(6) 镁离(Mg2+)
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泥石
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地下水化学成分的性质
• 总含盐量与总溶解固体(TDS) 总含盐量：存在于地下水中的离子、分子和微粒(不
包括气体)之总含量 总溶解固体(TDS)：通常在105-110℃温度下将水样蒸
干后所得干涸残余物的总量
TDS ≈总含盐量-1/2HCO3TDS是反映地下水化学成分的主要指标：TDS含量低的 淡S要O水成42-为以分主HC要O3成-为分主；要T成DS分含；量T高DS的含盐量水中和等卤的水盐常质以水C常l-为以主
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地下水在运动过程中的各种作用
(2)水中阳离子的浓度 水中某种阳离子浓度越大，则其交替吸附能力就越强，
甚至可以发生吸附能力小的交替岩土颗粒表面吸附能力 大的阳离子
第7章 地下水的化学成分及其形成作用
第7章
第1节 概述
地下水的化学成分及其
形成作用
第2节 地下水的化学特征 第3节 地下水的主要物理、化学性质 第4节 地下水化学成分的形成作用 第5节 地下水化学成分的基本成因类型 第6节 地下水化学成分分析及其图示Biblioteka 第1节 概述问题：
1、地下水是否是纯水？
2、除水（H2O）以外，地下水中还哪些成分？它们是如 何形成的？这些成分对人类的生活、生产有何影响？
第3节 地下水的主要物理、化学性质
一、主要的物理性质：
色(color)、嗅(smell)、味(taste)、温度(temperature)、 透明度(diaphaneity, transparency)、比重(specific weight)、 导电性(conductance)、放射性(radioactivity) 二、主要的化学性质： 总溶解固体、硬度、酸碱性 。 两者关系：物理性质往往是化学性质的外在表现。
常温带深度 1－2m，昼夜变化 10－30m，地温年变化只有0.1℃
•常温带：是变温带以下一个极簿的地带。地温一般比当地年
平均气温高出1~2℃，粗略计算时可视为当地的年平均气温。
• 增温带：受地球内部热流控制。随深度增加而温度升高。用
地温梯度或地温增温率表示。
二、主要的化学性质
1、总溶解固体（TDS）（矿化度）
最低含量 mg/l
165
70
135
250
0.15
味道的强弱取决于地下水的温度，常温时不显，若将水加 热到20~30℃时，味道显著。
4、地下水的透明度
一般是透明的，如煤矿矿井水含大量煤屑等悬浮物而呈不透 明或半透明状。
（水的透明度分级表）确定水的透明度：
第1节 概述
地下水的化学成分及其
形成作用
第2节 地下水的化学特征 第3节 地下水的主要物理、化学性质 第4节 地下水化学成分的形成作用 第5节 地下水化学成分的基本成因类型 第6节 地下水化学成分分析及其图示Biblioteka 第1节 概述问题：
1、地下水是否是纯水？
2、除水（H2O）以外，地下水中还哪些成分？它们是如 何形成的？这些成分对人类的生活、生产有何影响？
第3节 地下水的主要物理、化学性质
一、主要的物理性质：
色(color)、嗅(smell)、味(taste)、温度(temperature)、 透明度(diaphaneity, transparency)、比重(specific weight)、 导电性(conductance)、放射性(radioactivity) 二、主要的化学性质： 总溶解固体、硬度、酸碱性 。 两者关系：物理性质往往是化学性质的外在表现。
常温带深度 1－2m，昼夜变化 10－30m，地温年变化只有0.1℃
•常温带：是变温带以下一个极簿的地带。地温一般比当地年
平均气温高出1~2℃，粗略计算时可视为当地的年平均气温。
• 增温带：受地球内部热流控制。随深度增加而温度升高。用
地温梯度或地温增温率表示。
二、主要的化学性质
1、总溶解固体（TDS）（矿化度）
最低含量 mg/l
165
70
135
250
0.15
味道的强弱取决于地下水的温度，常温时不显，若将水加 热到20~30℃时，味道显著。
4、地下水的透明度
一般是透明的，如煤矿矿井水含大量煤屑等悬浮物而呈不透 明或半透明状。
（水的透明度分级表）确定水的透明度：
水文地质学基础--7地下水的化学成分及其形成作用
气体组分 （CO2, O2等） 离子组分（Cl-, SO42-,K+等） 同位素组分（氢、氧、碳同位素） 微量组分（Br、I、F、B、Sr等） 胶体悬浮物（Fe（OH）3、 Al（OH）3 、H2SiO3等 ） 有机质（常使地下水酸度增加，有利于还原作用） 微生物（氧化环境的硫细菌和铁细菌、还原环境的脱硫 酸细菌以及污染水中的致病细菌等）
碳酸盐类 < 硫酸盐类 < 氯化物 常见离子在水中的相对含量与溶解性总固体（TDS）有关
溶解性总固体（g/l）
低（<1)
中(1-10)
高(10-30)
主要离子成分
HCO3-
SO42-
Cl-
Ca2+ 、 Mg2+
Ca2+ 、 Na+
Na+
地下水中主要离子成分来源
Cl- （高矿化水中主要阴离子）：
沉积盐类溶解； 岩浆岩含氯矿物（如氯磷灰石、方钠石）的风化溶解； 海水； 火山喷发物的溶滤； 人为污染。 地下水中最稳定的离子，其含量随TDS升高而增加，常可用来说
7.1 概述
地下水的化学成分是地下水与周围环境长期相互作用的产 物，它是一种重要信息源，是“化石”，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 地下水的起源和形成。
地下水是地壳中元素迁移、分散与富集的载体，研究成矿 过程中地下水的化学作用，对于阐明成矿机制，完善与丰 富成矿理论有很大意义。
第7章 地下水的化学组分及其演变 （Chemical composition and chemical
actions of G.W.）
7.1 概述 7.2 地下水的化学组分（Chemical
composition of G.W.） 7.3 地下水化学成分的形成作用 （Chemical
碳酸盐类 < 硫酸盐类 < 氯化物 常见离子在水中的相对含量与溶解性总固体（TDS）有关
溶解性总固体（g/l）
低（<1)
中(1-10)
高(10-30)
主要离子成分
HCO3-
SO42-
Cl-
Ca2+ 、 Mg2+
Ca2+ 、 Na+
Na+
地下水中主要离子成分来源
Cl- （高矿化水中主要阴离子）：
沉积盐类溶解； 岩浆岩含氯矿物（如氯磷灰石、方钠石）的风化溶解； 海水； 火山喷发物的溶滤； 人为污染。 地下水中最稳定的离子，其含量随TDS升高而增加，常可用来说
7.1 概述
地下水的化学成分是地下水与周围环境长期相互作用的产 物，它是一种重要信息源，是“化石”，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 地下水的起源和形成。
地下水是地壳中元素迁移、分散与富集的载体，研究成矿 过程中地下水的化学作用，对于阐明成矿机制，完善与丰 富成矿理论有很大意义。
第7章 地下水的化学组分及其演变 （Chemical composition and chemical
actions of G.W.）
7.1 概述 7.2 地下水的化学组分（Chemical
composition of G.W.） 7.3 地下水化学成分的形成作用 （Chemical
第四章 地下水化学成分的分类和分带概论
游离离子
复杂络合物（离子对）：有机，无机
无机组分i 的总浓度
C i =∑C（游离离子）+ ∑C（无机络合物） ∑C （有机络合物）
主要取决于: (1) 元素的离子性质（化学性质）
元素/离子
离子在水中同H+争 夺O2-的能力
存在形式
电价低的较大阳离
弱
子（碱金属、碱土
金属）
电价高的小阳离子
强
(Cr, Al)
型（ pH =6.5~8.5）
中性和弱碱性氯化物— 标型离子是Cl-、SO42-和Na+
硫酸盐型
中性和弱碱性石膏型 标型离子是Ca2+和SO42碱性苏打型（pH ﹥8.5） 标型离子是HCO3-，Na+
根据水迁移元素的组成，水迁移环境可划分为6个类型
根据水迁移元素组成划分的水迁移环境类型
水迁移环境
标型离子
强酸型(pH ﹤4)
标型离子是H+，局部为SO42-，Fe3+等， 主要为硫化矿床氧化带的水
酸型（ 4﹤ pH ﹤6.5） 标型离子是H+，有机酸阴离子 中性和弱碱性重碳酸钙 标型离子是Ca2+和 HCO3-
➢ 岩体染成红、棕、黄色；
➢ Eh值一般﹥0.15 V
无硫化氢还原 ➢ 水中不含自由氧或其它强氧化剂或只含少量氧
环境
（﹤3 mg/L), 不含H2S（﹤1 mg/L），含CO2；
➢ Fe, Mn处于低价态（ Fe2+, Mn2+），易移动；
➢ 岩体呈淡绿色、灰色和兰色；
标型元素
氧
二氧化碳； 有的地方还 有甲烷
（一）元素在地下水中存在形式
（复习）水按所含成分的颗粒大小分类 （复习）地下水中溶解组分的存在形式
地下水的化学组分及其演变
人为CO2 ：工业发展造成（温室效应）
作用:
地下水中CO2越多，其溶解碳酸盐岩和对结晶岩进行风化作 用的能力越强。
ch6 地下水的化学组分及其演变
硫化氢（H2S）、甲烷（CH4） H2S来源：
硫酸盐还原：
SO4 2C 2H 2O 微生物 H2S 2HCO3
2
硫化矿物分解：
Na2CO3十H2O → 2Na十HCO3-十OH所以，在酸性火山岩地区可以形成HCO3-－Na+型水。
ch6 地下水的化学组分及其演变
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。
（Ar, Kr, Xe）/ N2 ＜ 0.0118，则N2有生物或变质起源
ch6 地下水的化学组分及其演变
二氧化碳（CO2） 来源：
大气：但含量较低，工业化城区含量高。
生物：土壤有机质残骸的发酵作用与植物的呼吸作用 变质成因：地球深部高温高压下变质生成：
C CaCO3 400 CaO CO2
半透明（微浑浊）
微透明（浑浊） 不透明（极浑浊）
少量悬浮物，30~60cm水深见图像
较多悬浮物，＜30cm水深见图像 大量悬浮物，似乳状，水深很小也看不清图像
ch6 地下水的化学组分及其演变
5. 地下水的比重
取决于水中溶解盐类的数量。溶解的盐类越多，地下水的比重 越大。一般地下水的比重接近于1。利用地下水的比重特征可以判别盐 湖中盐类的沉积层位，便于分层位开采。
第7讲--地下水的物理性质、化学成分及其形成作用
12
一、离子成份—— HCO3-和CO32-
2来源 ① 大气中CO2 的溶解； ② 各种碳酸盐类及胶结物的溶解和溶滤；
Ca3C C O2O H2O C2 a2HC 3 O Mg3 CCO 2O H2O M2g2HC 3 O
③岩浆岩与变质岩地区，HCO3—主要来自铝硅酸盐 矿物的风化溶解。例如：钠长石
21
二、地下水中的其它成分
❖ 细菌成分
地下水中的细菌成分来自生活污水、生物制品、造纸等各种工业废
水，污染地下水。
地下水卫生状况按菌度划分表
水的细菌分析结果一般用细菌 总数（每升水）、菌度（含有一 条大肠杆菌的水的毫升数）和检 定量（1L水中大肠杆菌的含量） 表示。我国规定1mL饮用水中细 菌总数不得超过100个，1L水中 大肠杆菌不得超过3个。
10
3、来源 （1）石膏、硬石膏及含硫酸盐的沉积物
（2）硫化物及天然硫的氧化 （3）火山喷发物中硫的氧化 （4）大气降水中的SO42（5）有机物的分解 （6）生活、工业、农业废水 （7）燃烧给大气人为产生的SO42-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。
2 F 2 e 7 O 2 S 2 H 2 O 2 F4 e 4 H S 2 S O 4 2 O
N 2 S 1 O a 1 6 iC 6 A 2 2 H 2 O O l 2 N 2 H a 3 H 2 C A 2 S 2 O 6 O li 4 S 2i
13
14
一、离子成份——钠离子（Na+）:
钠是地下水中分布最广的阳离子，在高含盐量的地下水 中钠是主要离子。 ❖ 含量：
低矿化水中含量一般很低,仅mg/L; 高矿化水中含量最高可达g/L。
2 S 3 O 2 2 H 2 O 4 H 2 S4 2 O 11
一、离子成份—— HCO3-和CO32-
2来源 ① 大气中CO2 的溶解； ② 各种碳酸盐类及胶结物的溶解和溶滤；
Ca3C C O2O H2O C2 a2HC 3 O Mg3 CCO 2O H2O M2g2HC 3 O
③岩浆岩与变质岩地区，HCO3—主要来自铝硅酸盐 矿物的风化溶解。例如：钠长石
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二、地下水中的其它成分
❖ 细菌成分
地下水中的细菌成分来自生活污水、生物制品、造纸等各种工业废
水，污染地下水。
地下水卫生状况按菌度划分表
水的细菌分析结果一般用细菌 总数（每升水）、菌度（含有一 条大肠杆菌的水的毫升数）和检 定量（1L水中大肠杆菌的含量） 表示。我国规定1mL饮用水中细 菌总数不得超过100个，1L水中 大肠杆菌不得超过3个。
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3、来源 （1）石膏、硬石膏及含硫酸盐的沉积物
（2）硫化物及天然硫的氧化 （3）火山喷发物中硫的氧化 （4）大气降水中的SO42（5）有机物的分解 （6）生活、工业、农业废水 （7）燃烧给大气人为产生的SO42-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。
2 F 2 e 7 O 2 S 2 H 2 O 2 F4 e 4 H S 2 S O 4 2 O
N 2 S 1 O a 1 6 iC 6 A 2 2 H 2 O O l 2 N 2 H a 3 H 2 C A 2 S 2 O 6 O li 4 S 2i
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一、离子成份——钠离子（Na+）:
钠是地下水中分布最广的阳离子，在高含盐量的地下水 中钠是主要离子。 ❖ 含量：
低矿化水中含量一般很低,仅mg/L; 高矿化水中含量最高可达g/L。
2 S 3 O 2 2 H 2 O 4 H 2 S4 2 O 11
地下水化学成分的形成与特征
地下水基本成因类型
目前，概念尚未统一，分类原则各异，名词术 语较多
按照地下水化学成分形成的基本作用，可分为： 外生水
溶滤-渗入水 沉积-埋藏水
内生水
地下水基本成因类型
溶滤-渗入水 大气起源，溶滤作用
沉积-埋藏水 封闭地质构造较环境中 经历了3个演化阶段
挤压阶段：淤泥、粘土中的沉积水受挤 压进入含水层
大气中的CO2 有机物的腐败和被氧化，根系植物的呼吸 嫌氧下硫酸盐、硝酸盐还原
DO与黄铁矿、锰结核等矿物作用是酸性物质的来源之一 土壤的生物化学作用产生许多有机酸
土壤的氧化还原条件改变金属元素的价态
二、植物-土壤影响阶段
经过植物-土壤的地下水的特征
相对于原生铝硅酸盐，未达到饱和状态，即具有强溶解 能力；
含有数量可观的碳酸类化合物，未被氧化的有机化合物 的进一步分解将使水中碳酸化合物含量进一步提高。
上述两点决定了地下水具有很强的与围岩介 质发生反应的能力。
三、水-岩相互作用阶段 溶滤作用
水与岩石的相互作用取决于
盐类的性质； 水的成分； 环境的热力学条件
水-岩地球化学作用类型
溶解作用 氧化还原作用
表生带地下水具有分带性规律
水文地球化学分带性——地下水化学成分在空间变化的规 律性，表现为自然地理上的水平分带，地质上的垂直分带
类 析 出
Na, K的氯化物
顺 序
Mg的氯化物
Na, K和Ca的硝酸盐
地 硅酸-重碳酸盐水
下
水 重碳酸钠钙水
化
学 成
苏打水
分
变 化
Na2SO4型水
Cl-Na水和Cl-Na-Ca水
表生带地下水化学成分特征
表生带的概念
目前，概念尚未统一，分类原则各异，名词术 语较多
按照地下水化学成分形成的基本作用，可分为： 外生水
溶滤-渗入水 沉积-埋藏水
内生水
地下水基本成因类型
溶滤-渗入水 大气起源，溶滤作用
沉积-埋藏水 封闭地质构造较环境中 经历了3个演化阶段
挤压阶段：淤泥、粘土中的沉积水受挤 压进入含水层
大气中的CO2 有机物的腐败和被氧化，根系植物的呼吸 嫌氧下硫酸盐、硝酸盐还原
DO与黄铁矿、锰结核等矿物作用是酸性物质的来源之一 土壤的生物化学作用产生许多有机酸
土壤的氧化还原条件改变金属元素的价态
二、植物-土壤影响阶段
经过植物-土壤的地下水的特征
相对于原生铝硅酸盐，未达到饱和状态，即具有强溶解 能力；
含有数量可观的碳酸类化合物，未被氧化的有机化合物 的进一步分解将使水中碳酸化合物含量进一步提高。
上述两点决定了地下水具有很强的与围岩介 质发生反应的能力。
三、水-岩相互作用阶段 溶滤作用
水与岩石的相互作用取决于
盐类的性质； 水的成分； 环境的热力学条件
水-岩地球化学作用类型
溶解作用 氧化还原作用
表生带地下水具有分带性规律
水文地球化学分带性——地下水化学成分在空间变化的规 律性，表现为自然地理上的水平分带，地质上的垂直分带
类 析 出
Na, K的氯化物
顺 序
Mg的氯化物
Na, K和Ca的硝酸盐
地 硅酸-重碳酸盐水
下
水 重碳酸钠钙水
化
学 成
苏打水
分
变 化
Na2SO4型水
Cl-Na水和Cl-Na-Ca水
表生带地下水化学成分特征
表生带的概念
地下水水化学特征及其演化机制研究
地下水水化学特征及其演化机制研究地下水是自然界中一种重要的水资源，对人类社会和自然生态系统至关重要。
因此，研究地下水的水化学特征及其演化机制就显得尤为重要。
一、地下水水化学特征地下水的水化学特征受到多种因素的影响，包括气候条件、地形地貌、地质构造、水体与岩石之间的相互作用等等。
地下水的水化学特征主要包括水质类型、水化学成分及其分布特征，主要表现为以下几个方面：1. 水质类型根据水化学成分的不同组成及其浓度变化，地下水可分为软水、中硬水、硬水和极硬水四个类型。
其中，软水含盐量最低，氯离子、钙离子、镁离子等浓度相对较低；中硬水中的钙、镁离子浓度逐渐增加；硬水中钙、镁离子的含量很高，总盐度也比较高；而极硬水中的总盐度、碱度和钙、镁离子浓度都非常高。
2. 水化学成分地下水化学成分的主要组成成分包括阳离子、阴离子以及微量元素。
其中，阳离子主要是钙离子、镁离子、钠离子、钾离子、铁离子等，而阴离子主要是碳酸盐、氢碳酸盐、硫酸盐、氯离子、硝酸盐等。
此外，地下水中还含有稀土元素、锶元素、铅元素等微量元素，它们的含量程度对水环境而言至关重要。
3. 分布特征地下水水化学特征的分布特征与地域环境有很大关系，不同地区的地下水水化学成分组成也有所不同。
一般来说，地下水水化学特征会随着地下水埋深的加深和过程的演化而发生一定的变化。
同时，地下水水化学成分也受到降水、水土化学作用、人类活动等多种因素的影响。
二、地下水演化机制地下水的演化机制可以分为自然演化和人为干扰两种。
1. 自然演化地下水自然演化是指地下水在自然界中随着各个因素的变化而发生的演化过程。
其中，重要的因素包括岩石的类型、成分、地质年代、构造影响等等。
由于地下水在地下穿流的过程中深入到不同的地质体中，与各种岩石形成的地下水系统发生作用，因此地下水中的各种化学成分往往是非常复杂的。
在地下水循环的过程中，原来单一的化学成分不断地发生变化和演化。
例如，地下水在石灰岩、花岗岩、水晶石等岩石中流经，一些溶解了的石灰钙或氢氧化物与碳酸盐等相互作用，形成了硫酸盐、氯离子、硝酸盐等新的水化学成分。
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
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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
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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。
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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。
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第七章 地下水的化学组分及其演变
1 概述 2 地下水化学特征 3 地下水中的微生物 4 地下水的温度 5 地下水化学组分形成作用 6 地下水基本成因类型及其化学特征 7 地下水化学式成分分析及其图示
§7 地下水的化学组分及其演变
第一节. 概述
A
2
§7 地下水的化学组分及其演变
概述 • 地下水不是化学纯的H2O，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。
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3
§7 地下水的化学组分及其演变
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
A
4
§7 地下水的化学组分及其演变
第二节. 地下水化学特征
A
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§7 地下水的化学组分及其演变
地下水化学特征 • 地下水中含有各种气体、离子、胶体、有机质以及微生物。 • 1．地下水中主要气体成分 • O2 、N2 、CO2 、CH4 、H2S等。 • 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
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§7 地下水的化学组分及其演变
•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。
• 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：
•
2FeS2+7O2+2H2O→2FeSO4+4H++2SO42
• （黄铁矿）
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§7 地下水的化学组分及其演变
• 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，
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§7 地下水的化学组分及其演变
• 总硬度––––水中所含钙离子和镁离子的总量。
• 按照溶解性总固体含量，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
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§7 地下水的化学组分及其演变
• 7大离子：Cl、SO42、HCO3、Na、 K、Ca2、Mg2。 • 低TDS水中：HCO3、Ca2+、Mg2+为主 （难溶物质为主）；
• 中矿化水中：SO42、Na+、Ca2+为主； • 高矿化水中：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：
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§7 地下水的化学组分及其演变
• 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。
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。
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§7 地下水的化学组分及其演变
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。
→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。ห้องสมุดไป่ตู้
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§7 地下水的化学组分及其演变
2．地下水中主要离子成分
• 溶解性总固体(total dissolved solids)：溶解性总固体是指溶解在水中的无机盐 和有机物的总称(不包括悬浮物和溶解气体等非固体组分)，用缩略词TDS表示 • 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溶解性总固 体（TDS） • 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。 • 总矿化度：溶于水中的离子、分子与化合物的总和。
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§7 地下水的化学组分及其演变
• 特点： • 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化
学演变的历程。
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§7 地下水的化学组分及其演变
•2）SO42
• 中等矿化的地下水中，SO42为主要阴离子。 • 来源：
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。
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§7 地下水的化学组分及其演变
• 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）
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§7 地下水的化学组分及其演变
•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。
1 概述 2 地下水化学特征 3 地下水中的微生物 4 地下水的温度 5 地下水化学组分形成作用 6 地下水基本成因类型及其化学特征 7 地下水化学式成分分析及其图示
§7 地下水的化学组分及其演变
第一节. 概述
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§7 地下水的化学组分及其演变
概述 • 地下水不是化学纯的H2O，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。
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§7 地下水的化学组分及其演变
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
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§7 地下水的化学组分及其演变
第二节. 地下水化学特征
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§7 地下水的化学组分及其演变
地下水化学特征 • 地下水中含有各种气体、离子、胶体、有机质以及微生物。 • 1．地下水中主要气体成分 • O2 、N2 、CO2 、CH4 、H2S等。 • 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
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§7 地下水的化学组分及其演变
•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。
• 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：
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2FeS2+7O2+2H2O→2FeSO4+4H++2SO42
• （黄铁矿）
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§7 地下水的化学组分及其演变
• 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，
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§7 地下水的化学组分及其演变
• 总硬度––––水中所含钙离子和镁离子的总量。
• 按照溶解性总固体含量，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
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§7 地下水的化学组分及其演变
• 7大离子：Cl、SO42、HCO3、Na、 K、Ca2、Mg2。 • 低TDS水中：HCO3、Ca2+、Mg2+为主 （难溶物质为主）；
• 中矿化水中：SO42、Na+、Ca2+为主； • 高矿化水中：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：
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§7 地下水的化学组分及其演变
• 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。
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。
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§7 地下水的化学组分及其演变
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。
→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。ห้องสมุดไป่ตู้
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§7 地下水的化学组分及其演变
2．地下水中主要离子成分
• 溶解性总固体(total dissolved solids)：溶解性总固体是指溶解在水中的无机盐 和有机物的总称(不包括悬浮物和溶解气体等非固体组分)，用缩略词TDS表示 • 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溶解性总固 体（TDS） • 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。 • 总矿化度：溶于水中的离子、分子与化合物的总和。
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§7 地下水的化学组分及其演变
• 特点： • 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化
学演变的历程。
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§7 地下水的化学组分及其演变
•2）SO42
• 中等矿化的地下水中，SO42为主要阴离子。 • 来源：
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。
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§7 地下水的化学组分及其演变
• 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）
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§7 地下水的化学组分及其演变
•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。