地下水的化学组分及其演变报告

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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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：
第五节. 地下水化学成分形成作用
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地下水的化学组分及其演变
• 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。 • 地下水化学成分形成作用主要分为6种作用1种影响。
1、溶滤作用
2、浓缩作用 3、脱碳酸作用 4、脱硫酸作用 5、阳离子交替吸附作用 6、混合作用 7、人类活动对地下水化学成分的影响
第七章 地下水的化学组分及其演变
1 2 3 4 5 6 7 概述 地下水化学特征 地下水中的微生物 地下水的温度 地下水化学组分形成作用 地下水基本成因类型及其化学特征 地下水化学式成分分析及其图示
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地下水的化学组分及其演变
第一节. 概述
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概述
地下水的化学组分及其演变
• 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
• 低矿化水溶解能力强，而高矿化水溶解能力弱。
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地下水的化学组分及其演变
第四节. 地下水的温度
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地下水的化学组分及其演变
• 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；15-30m
• 2）常温带：地温接近常数，一般比当地年平均气温高１~2℃；
• 3）增温带：受地球内部热流的影响，随深度加大地温升高。
• 地温梯度（）––––是指每增加单位深度时，地温的增值。
• 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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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
• 单位：℃/100m。 • 地温梯度的平均值为3℃/100m，一般1.5 ~ 4℃/100m。
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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。
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）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。
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• 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
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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1）水量→地下水动力学 对地下水的研究 2）水质→水文地球化学 →水文地质学的理论基础
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第二节. 地下水化学特征
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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。
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。
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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。
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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•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；
•3．地下水中的同位素组分 • 地下水中存在多种同位素，最有意义的是氢、氧、碳的同位素。 • 高度效应：指2H、18O等重同位素丰度随降水高程增高而降低的规律。
• 大陆效应：指重同位素丰度有随远离水汽来源的海洋而降低的趋势。
• 利用地下水中氚及碳-14的含量，可以测定地下水平均贮留时间（年龄）。 • 同位素方法在水文地质学研究中已经成为不可缺少的技术手段。
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•６）Ca2+ • 是低矿化水中的主要阳离子。 • 高矿化水中，因阴离子主要为Cl- , 而CaCl2的溶解度相当大，故Ca2+的绝对
含量显著增大,但仍远低于Na+。矿化度格外高的水，钙也可成为主要离子。
• 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。
• PS：狭义的溶滤作用与溶解作用在内涵上的区别 • 溶滤作用：在不破坏晶体结晶格架情况下，部分组分进入地下水中的作用。如难溶的 硅铝酸盐中的某些成分。 • 溶解作用：破坏了矿物的结晶格架，使矿物的全部成分进入地下水中。如氯化钠。
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1．溶滤作用 • 影响溶滤作用的因素： • 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）水的溶解性总固体含量：
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地下水的化学组分及其演变
•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。 • 地下水中各种离子的测定方法，参阅《水质分析》的有关书籍。
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地下水的化学组分及其演变
脱硫酸细菌；
在污水中：各种致病细菌。
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第三节. 地下水中的微生物
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• 地下水中的微生物，主要有以下作用：①参与地下水化学形成作用，改变地
下水组分；②生物修复地下水污染；③改变含水介质特性；④参与成岩作用 ；⑤参与成矿作用(陈骏等，2004；李政红等，2007)。
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• 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 大离子： Cl 、 SO42 、 HCO3 、 Na 、
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•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； 还原环境中存在：
• 微生物是氧化—还原作用的触媒。许多地下水化学形成作用是生物地球化学
过程，都有微生物的参与。 • 例如，脱硫酸作用： • SO42+2C+2H2O——H2S+ 2HCO3
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• 污染地下水的生物修复，是最有潜力的污染修复方式。
• 1、作为触媒使有机污染物氧化为二氧化碳而降解。2、能够吸附重金属离子 ，通过触媒作用还原或氧化金属和准金属而改变其活动性。 • 可溶岩喀斯特化一直被认为是化学作用的结果，现在发现，存在多种微生物 的生物化学作用，影响碳酸盐的溶解与沉淀。
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• 微生物在成矿中发挥重要作用。
• 1、带负电荷的微生物细胞表面能键和金属离子，被键合的金属离子与阴离
子反应，形成盐类沉淀。2 、微生物代谢有机物形成有利于矿床堆积的物理 化学环境。
• 微生物几乎参与了所有的地质过程，原先认为是无机的地质作用，其实都是
有机的(陈骏等，2006；汪晶先，2003)，地质微生物学作为一门交叉学科正 存蓬勃兴起，对于解决水文地质学面对的理论及实际问题，有着难以估量的 意义，水文地质工作者需要扩展视野，参与地质微生物的探索与发展。
• ② 硫化物的氧化： • • 2FeS2+7O2+2H2O→2FeSO4+4H++2SO42 （黄铁矿）
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• 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；
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•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
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地下水的化学组分及其演变
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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。
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地下水的化学组分及其演变
1．溶滤作用 • 盐类溶解与温度有关
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1．溶滤作用 • 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。
• 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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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。
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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。
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