第七章地下水的化学组分及其演变

② HCO3增加，pH值变大。
封闭的地质构造，如储油构造，是产生脱硫酸作用的有利环 境。
7．5 地下水化学成分形成作用
５．阳离子交替吸附作用
岩土颗粒表面带有负电荷，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。 不同的阳离子，其吸附于岩土表面的能力不同，自大而小顺序为： H > Fe3 > Al3+ > Ca2 > Mg2 > K > Na 离子价愈高，离子半径愈大，则吸附能力也愈大，H例外； 地下水中某种离子的相对浓度增大，则该种离子的交替吸附能力 也随之增大； 颗粒愈细，比表面积愈大，交替吸附作用愈强； 因此，粘土及粘土岩类最容易发生交替吸附作用，而在致密的结 晶岩中，不会发生这种作用。
7．2 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．地下水主要气体成分
O2 、N2 、CO2 、CH4 、H2S等。尤其以前三种为主。 1）O2 、N2
地下水中的O2 、N2主要来源于大气。溶解氧含量多，说明地下水处于氧 化环境。在相对封闭的环境中，O2将耗尽而只留下 N2。因此， N2的单 独存在，通常可说明地下水起源于大气并处于还原环境。
Mg2+2HCO3→CO2↑+H2O+MgCO3↓
结果： ① 地下水中HCO3及Ca2、Mg2减少； ② TDS降低。 深部地下水上升成泉，泉口往往形成钙华，便是脱碳酸作用的结 果。
7．5 地下水化学成分形成作用
４．脱硫酸作用 在还原环境中，当有有机质存在时，脱硫酸细菌促使 SO42 还原为H2S： SO42+2C+2H2O→H2S+2HCO3 结果： ① 使地下水中SO42减少以至消失；
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虽然在地壳中K的含量与Na相近。但是，在地下水中K+的含量比Na+少得多。原因是：
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。 6）Ca2+
是低TDS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。
来源：
① 沉积岩中岩盐及其它钠盐的溶解； ② 海水； ③ 在岩浆岩和变质岩地区，则来自含钠矿物的风化溶解；
④ 酸性岩浆岩中有大量含钠矿物，如钠长石，在CO2和H2O的参与下，将形成低TDS 以Na+及HCO3为主的地下水。
7．2 地下水化学特征
5）K+
高TDS水中较多。
来源： 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。
7．4 地下水的温度
地壳表层有两个热能来源：一个是太阳的辐射，另一个是来 自地球内部的热流。 地壳表层可分为3个带： 1）变温带：受太阳辐射影响，地温昼夜变化与季节变化； 2）常温带：地温一般比当地年平均气温高出１~2℃； 3）增温带：地温受地球内热影响，通常随深度加而有规律 地升高。
7．5 地下水化学成分形成作用
2）H2S 、CH4
地下水中出现H2S、CH4 ，这是微生物参与的生物化学作用的结果
3）CO2 地下水中的CO2主要来源于土壤。化石燃料（煤、石油、天然气）的大 量应用，使大气中人为产生的CO2明显增加。
地下水中含CO2愈多，溶解某些矿物组分的能力愈强。
7．2 地下水化学特征 2．地下水主要离子成分
7．5 地下水化学成分形成作用
２．浓缩作用 干旱半干旱地区的平原与盆地的低洼处，地下水位埋藏不深， 蒸发成为地下水的主要排泄去路。 浓缩作用必须同时具备下述条件： ①干旱或半干旱的气候； ②有利于毛细作用的颗粒细小的松散岩土；
③低平地势下地下水位埋藏较浅的排泄区。
7．5 地下水化学成分形成作用
３．脱碳酸作用 水中CO2的溶解度随温度升高及 (ห้องสมุดไป่ตู้)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↓
卤水：>50。
7．2 地下水化学特征 地下水中分布最广、含量较多的离子共七种：Cl、SO42、HCO3、Na、 K、Ca2、Mg2。 低TDS水：HCO3、Ca2+、Mg2+为主； 中TDS水：SO42、Na+、Ca2+为主； 高TDS水：Cl、Na+为主。 地下水的TDS与离子成分之所以具有这种对应关系，主要原因是水中盐 类的溶解度不同。
3）胶体：Fe(OH)3、Al(OH)3、H2SiO3等；
4）有机化合物。
7．3 地下水中的微生物
地下水中普遍分布微生物，不仅出现于地表以下到数千米深 处，并且出现于洋脊底部富含矿质的高温流体喷口——“黑 烟囱”。 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。
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。单位： mg/L或g/L
总矿化度(矿化度)是指溶于水中的离子、分子与化合物的总和。单位： g/L或mg/L 。 现已经采用溶解性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；
7．2 地下水化学特征
７）Mg2+ 来源： ① 含镁的碳酸盐类沉积岩（白云岩、泥灰岩）；
② 岩浆岩、变质岩中含镁矿物的风化溶解。
Mg2+在低TDS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。
7．2 地下水化学特征
3．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。 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 万年及5万 -6 万 年。
7．5 地下水化学成分形成作用
６．混合作用 成分不同的两种水汇合在一起，形成化学成分不同的地下水， 便是混合作用。 结果： ①可能发生化学反应而形成化学类型完全不同的地下水； ②也可能不发生化学反应。
７．人类活动在地下水化学成分形成中的影响
工业产生的废气、废水与废渣以及农业上大量使用化肥农药， 使天然地下水富集了原来含量很低的有害物质，如酚、氰、 贡、砷、铬、亚硝酸等。
地下水主要来源于大气降水，其次是地表水。大气降水的 TDS一般为0.02~0.05g/L。 1．溶滤作用 水与岩土相互作用，使岩土中一部分物质转入地下水中，便 是溶滤作用。 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。 影响因素：取决于组成岩土的矿物的溶解度；岩土的空隙特 征；水的溶解能力；水中溶解气体CO2、O2等的含量；水的 流动状况。
7．2 地下水化学特征
4．地下水中的其他成分 除了以上主要离子成分外，地下水还有一些其他成分： 1 ）次要离子： H+ 、 Fe2+ 、 Fe3+ 、 Mn2+ 、 NH4+ 、 OH 、 NO2 、 NO3、CO32、SiO32、PO43等； 2）微量组分：Br、I、F、Ba、Li、Sr、Se、Co、Mo、Cu、 Pb、Zn、B、As等；
② 金属硫化物矿床附近的地下水中也常含有大量的SO42。
7．2 地下水化学特征
3）HCO3
几乎总是低TDS水的主要阴离子成分。
来源： ① 含碳酸盐的沉积盐与变质岩（如大理盐）： CaCO3+H2O+CO2→2HCO3+Ca2+
MgCO3+H2O+CO2→2HCO3+Mg2+
② 岩浆岩与变质岩地区，HCO3主要来自铝硅酸盐矿物的风化溶解。 4）Na+ 在高TDS水中是主要的阳离子。
7．2 地下水化学特征
１）Cl
在地下水中广泛分布，但在低 TDS 水中，一般含量仅数毫克 / 升到数十毫克 / 升，高 TDS水中可达数克/升乃至100克/升以上。
来源： ① 沉积岩中岩盐或其他氯化物的溶解； ② 岩浆岩中含氯矿物的风化溶解； ③ 海水补给地下水，或者海风将细滴的海水带到陆地； ④ 火山喷发物的溶滤； ⑤ 人为污染：生活污水及粪便中含有大量Cl，因此，居民点附近的地下水TDS不高， 但是Cl含量相对较高。 特点： ① Cl不为植物及细菌所摄取，不被土粒表面吸附，因此， Cl是地下水中最稳定的 离子； ② Cl含量随着TDS增大而不断增加，因此，Cl的含量常可用来说明地下水化学演变 的历程。
7．2 地下水化学特征
2）SO42 中等矿化的水中，SO42常成为含量最多的阴离子。 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： 2FeS2 （黄铁矿） +7O2+2H2O→2FeSO4+4H++2SO42
特点：
① 煤系地层常含有很多黄铁矿，因此流经这类地层的地下 水化学成分往往以SO42为主；
第七章 地下水的化学组分及其演变
7． 1 概
述
7．2 地下水化学特征 7．3 地下水中的微生物
7．4 地下水的温度
7．5 地下水化学成分形成作用
7． 1 概 述
地下水不是化学纯的H2O，而是一种复杂的溶液。 赋存于岩石圈中的地下水，不断与岩土发生化学反应，在与 大气圈、水圈和生物圈进行水量交换的同时，交换化学成分。 人类活动对地下水化学成分的影响，虽然只是悠长地质历史 的一瞬间，然而，已经深刻改变了地下水的化学面貌。 地下水水质的演变具有时间上的继承性，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。