水文地质学基础--7地下水的化学成分及其形成作用

7.4 地下水化学成分的基本成因类型
从形成地下水化学成分的基本作用出发，可将地下水分 为三种基本成因类型：溶滤水、沉积水和内生水。 溶滤水主要分布于地壳浅表，沉积水分布于地壳较深的 部位，内生水则来源于地幔。 溶滤水 定义：富含O2、 CO2的渗入成因地下水，溶滤它所流经 的岩土而获得其主要化学成分，这种水称之为溶滤水。 影响溶滤水成分的因素 岩性（碳酸岩、白云岩，石膏岩，酸性岩浆岩，煤层） 气候（分带性） 地形（径流强弱）
长期、强烈溶滤作用的结果，地下水以低矿化度的难溶 离子为主，HCO3—Ca水 或 HCO3—Ca Mg水；
这是由溶滤作用的阶段性决定，在由多种盐类组成的岩 石中：
开始：Cl盐最易溶于水中 →随水带走 随后： SO42-盐类被溶入中 →随水带走 最后：岩土中只剩较难溶的碳酸盐类
因此，溶滤作用是地质历史长期作用的结果，须从地质 历史发展的角度来理解；
低平原
颗粒粗 水位埋深大
溶滤作用 水交替迅速
矿化度低
HCO3—Ca
过渡区
矿化度中 SO —MgCa
颗粒细 水位埋深小
浓缩作用 水流迟缓 矿化度高
Cl—Na
HCO3SO42Cl-
脱碳酸作用（Decarburization process）
定义 水中CO2的溶解度受环境温度和压力控制， 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。
>50 卤水
地下水化学成分表示式——库尔洛夫式
H
2
SiO03.07
H
2
S
CO 0.021
2 0.031
M
3.2
Cl84.8 SO144.3 Na 71.6 Ca 27.8
t
52
横线前：表示特殊成分、气体成分及矿化度（以M表 示），单位都是g/L；
横线上下方：将阴/阳离子毫克当量百分数≥10%的离 子按自大到小顺序分别标示；
来源
土壤层：溶解、有机质残骸发酵、植物呼吸作用； 碳酸盐岩分解 人类活动：化石燃料（煤、石油、天然气）燃烧
含量愈高，水对碳酸盐岩溶解、结晶岩风化溶解能力愈强。
研究意义
指示地下水所处的地球化学环境；
影响地下水的溶解能力； O2、CO2↑，地下水对岩石矿物的溶解能力↑。 决定地下水的利用价值。
地下水中主要离子组分（Common ions）
SO42 2C 2H 2O H 2 S 2HCO3
脱硫酸作用的结果 SO42- ↓ HCO3-↑ pH值↑ 寻找油田的辅助标志。
阳离子交替吸附作用
定义：岩土颗粒表面带有负电荷，能够吸附阳离子，在一 定条件下，颗粒吸附地下水中某些阳离子，而将原来吸附 的部分阳离子转为地下水中的组分，这便是阳离子交替吸 附作用。
Ca2 2HCO3 CO2 H 2O CaCO3
Mg2 2HCO3 CO2 H 2O MgCO3
脱碳酸作用的结果 HCO3- 、 Ca2+ 、 Mg2+ ↓; 矿化度↓
pH↓ 泉口附近形成的钙华就是脱碳酸作用的结果。
脱硫酸作用（De-vitrioling process）
定义 在还原环境中，当有有机质存在时，脱硫酸细菌能 使SO42-还原为H2S ，这种作用称为脱硫酸作用。
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
actions of G.W.） 7.4 地下水基本成因类型及其化学特征 (自学） 7.5 地下水化学成分分析及其图示(自学）
定义：成分不同的两种水汇合在一起，形成化学成分与 原来两者都不相同的地下水，这就是混合作用。 如地表水混入地下水；深层地下水补给浅部含水层等。 混合作用的两种类型：
发生化学反应：如以SO42- 、 Na+为主的地下水与 HCO3- 、 Ca2+为主的水混合：
CaHCO3 2 Na2 SO4 CaSO4 2NaHCO3
O2、N2
来源：大气
地下水中主要气体组分
O2含量愈高，表明地下水所处的地球化学环境愈有利于氧化作用 ；
N2的单独存在表明地下水起源于大气并处于还原环境。
H2S、CH4
与有机物、微生物的生物化学过程有关；
表明地下水所处的地球化学环境为还原环境;
成煤过程（煤田水），成油气过程（油气藏，油田水）。
CO2
不产生化学反应：如高矿化的氯化钠型海水混入低 矿化的重碳酸钙镁型地下水中。
人类活动在地下水化学成分形成中的作用
污染地下水： 工业三废； 农业面源污染（化肥、农药）； 生活污水。
改变地下水的形成条件 过量开采地下水引起海水入侵； 干旱半干旱地区不合理的地表水灌溉（造成浅层 地下水位上升）引起的次生盐渍化； 咸水分布区通过挖渠打井，降低地下水位，改变 了地下水的排泄方式（由蒸发排泄变为径流排 泄），从而使地下水水质淡化。
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。
干旱或半干旱的气候； 地势平坦； 水位埋深小； 颗粒细小的松散岩土； 地下水流动系统的排泄处。
浓缩作用的结果
矿化度升高； 形成以易溶离子为主的地下水（Cl-—Na+为主）； 土壤盐渍化。
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）
丘陵
倾斜平原区
➢ 水流停滞或流动缓慢的地下水，溶解能力最终会降为零， 溶滤作用停止。
➢ 水流速度快，交替（更新）迅速，水流不断被更新， CO2、O2不断被补充，低TDS水不断更新溶解能力已降 低的水，溶滤作用将长期进行。
思考 如果某地区地下水流动很快，水交替（循环）迅速，溶 滤作用很强烈，长期作用下去，地下水水化学特征如何？ 该地区地下水中的水质——矿化度（TDS）是高？还是 低？水中以哪种阴、阳离子为主？
不同阳离子吸附于岩土表面的能力不同。 H+>Fe3+>Al3+>Ca2+>Mg2+>K+>Na+
当含Ca2+为主的地下水进入主要吸附有Na+的岩土时，水中 的Ca2+便置换岩土中所吸附的一部分Na+，使得地下水中 Ca2+减小而Na+增多。
粘土及粘土岩类最容易发生交替吸附作用。
混合作用（Mixing process）
从实际应用来看，不同的用水目的，对水质要求不同，因 此研究地下水的化学成分也是水质评价的需要。
不能从纯化学角度，孤立、静止地研究地下水的化学成分 及其形成，必须从地下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和规律。
7.2 地下水的化学组分 （Chemical composition of G.W.）
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
毫克当量百分数=某离子的毫克当量/阴（阳）离子的毫克当量总数 离子的毫克当量=离子的毫摩尔*离子价 离子的毫摩尔=离子的毫克数/离子量（原子量）
横线后： 水温t（oC) 。
作业
已知某地地下水的化学成分如下表所示，水温为21℃，完成 下表，计算总矿化度，并写出该水样的库尔洛夫式。 原子量：C=12，S=32，Cl=35.5，Na+K=25，Ca=40， Mg=24，O=16。
Ca2+、 Mg2+ （低矿化水中主要阳离子） ： 碳酸盐类沉积物或含石膏沉积物的溶解； 岩浆岩、变质岩含钙、镁矿物的风化溶解；
地下水的总矿化度及化学成分表示式
地下水的总矿化度M
定义：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，单
位g/L， mg/L 。
溶解性总固体（Total Dissolve Solid，TDS） ：指溶解在水
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）
地下水中主要离子成分 主要阴离子（anions）： Cl SO42 HCO3
主要阳离子（cations）：K Na Ca 2 Mg 2
地下水中次要离子成分：
H
Fe 2 Fe3 Mn 2
NH
4
OH
Nபைடு நூலகம்2
NO3
CO32 SiO32 PO43
地下水中离子成分主要取决于：
元素的丰度；
元素组成的化合物在水中的溶解度。
明地下水的矿化程度。
SO42- （中等矿化水中主要阴离子） ：
硫酸盐沉积岩的溶解； 金属硫化物（如黄铁矿、煤系地层）的氧化； 人类活动——化石燃料燃烧产生SO2，降“酸雨”。
HCO3- （低矿化水中主要阴离子） ： 含碳酸盐的沉积岩与变质岩的溶解;
岩浆岩、变质岩铝硅酸盐矿物(钠长石、钙长石）的风化溶解。
化学成分 HCO3- SO42- Cl- Ca2+ Mg2+ Na++K+ 游离CO2
mg/l 177.06 2.4 5.3 34.3 5.55 23
16
毫克当量
毫克当量 百分数
7.3 地下水化学成分的形成作用
溶滤作用（Dissolving process） 浓缩作用（Concentrating process） 脱碳酸作用（Decarburization process） 脱硫酸作用（De-vitrioling process） 阳离子交替吸附作用（Cation alternate-adsorbing process） 混合作用（Mixing process） 人类活动在地下水化学成分形成中的作用
前期溶滤作用——溶滤什么组分，水中获得相应组分；
后期溶滤作用——长期强烈溶滤作用的结果，易溶解的 组分被水带走，最后是难溶成分的低矿化水。
浓缩作用（ Concentrating process ）
定义：地下水在蒸发排泄条件下，水分不断失去，盐分 相对浓集，而引起的一系列地下水化学成分的变化过程。 浓缩作用的产生条件
毛细实验通知
42111，5月22日，周三，1、2节； 42112 ，5月22日，周三，3、4节； 地点：水工楼105
实习一 编制潜水等水位线图
时间：5月21日（周二，5、6节） 请大家带实习讲义、计算器、铅笔、
直尺、橡皮等！ 请提前预习，不得缺席！
地下水中主要离子成分来源
Na+ （高矿化水中主要阳离子）、K+ ： 沉积盐岩（钠盐、钾盐）的溶解； 岩浆岩、变质岩含钾、钠矿物的风化溶解； 海水； 在地下水中K+ 含量比Na+少得多，因为K+ 大量参与形 成不溶于水的次生矿物（如绢云母、蒙脱石等），并 易被植物吸收； K+ 的性质与Na+相近，含量少，分析困难，故在一般 情况下，将K+归并到Na+中，不另区分。
中，难溶的后进入水中。
水——
水的溶解能力（TDS，O2、CO2等）； ➢ 通常刚渗入到地下的水，矿化度很低， O2、CO2含量高，随着地下
水的运移，不断有新的盐分溶解到水中，TDS↑， O2、CO2↓，水 的溶解能力下降，最终水的溶解能力→0，溶滤作用是否将会停止？
地下水的流动性：地下水的径流和交替强度（Q与V）
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）。 通常以在105℃—110℃温度下，将水蒸干所得的干涸残余物来表征总矿 化度。
计算方法：M=∑阳离子+∑阴离子- 0.5HCO3地下水按溶解性总固体分类
溶解性总 固体（g/l）
<1
分类名称 淡水
1-3 微咸水
3-10 咸水
10-50 盐水
溶滤作用（Dissolving process）
定义：在水与岩土相互作用下，岩土中一部分物质转入地下 水中，这就是溶滤作用。
结果：岩土失去一部分可溶物质，地下水获得新的成分，矿 化度↑ 。
影响溶滤作用强度的因素
岩土——
化学组分（如石灰岩HCO3-Ca水、花岗岩HCO3-Na水)； 组成岩土的矿物盐类的溶解度，溶解度的差异导致易溶先进入水