地下水的化学成分及其形成作用

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。
7.4 地下水基本成因类型及其化学特征（自学）
溶滤水 沉积水 内生水
成煤过程（煤田水），成油气过程（油气藏，油田水）。
CO2
土壤层：溶解、有机质残骸发酵、植物呼吸作用； 碳酸盐岩分解 来源 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。
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。
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
HCO3-
Cl-
SO42-
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。
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）
地下水中主要气体组分
O2、N2
来源：大气
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;
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。
粘土及粘土岩类最容易发生交替吸附作用。
混合作用（Mixing process）
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：
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）
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。 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。 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。
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（Total Dissolve Solid，TDS） 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（总溶解固体），单位g/L。 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地下水按矿化度分类 矿化度 （g/l） 分类名称
Ca 2 2HCO3 CO2 H 2 O CaCO3
Mg 2 2HCO3 CO2 H 2 O 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）
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 低平原
研究意义
地下水中主要离子组分（Common ions）
地下水中主要离子成分 2 主要阴离子（anions）： Cl SO4 HCO3 2 主要阳离子（cations）： K Na Ca 2 Mg 地下水中次要离子成分：
3 NO3 CO32 SiO32 PO4 H Fe 2 Fe 3 Mn 2 NH 4 OH NO2
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 中，难溶的后进入水中。
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；
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
化学成分
mg/l
HCO3-
SO42-
Cl-
Ca2+
Mg2+
Na++K+
游离CO2
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
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.）
<1
淡水
1-3
微咸水
3-10
咸水
10-50
盐水
>50
卤水
地下水化学成分表示式——库尔洛夫式
H SiO
2 3 0.07
H S 0.021CO
2
2 0.031
M 3.2
4 Cl 84.8 SO14 .3 t 52 Na 71.6 Ca 27.8
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；
CaHCO3 2 Na 2 SO4 CaSO4 2 NaHCO3
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；
7.2 地下水的化学组分 （Chemical composition of G.W.）
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）
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。
2 SO4 2C 2H 2 O 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。 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Βιβλιοθήκη Baidu而Na+增多。
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。
地下水中主要离子成分来源
Na+ 、K+ （高矿化水中主要阳离子） ： 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。 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。 碳酸盐类 < 硫酸盐类 < 氯化物 常见离子在水中的相对含量与矿化度有关
矿化度（g/l） 主要离子成分 低（<1)
HCO3Ca2+ 、 Mg2+
中(1-10)
SO42Ca2+ 、 Na+
高(10-30)
ClNa+ 、 Ca2+
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，其含量随矿化度升高而增加，常可用来 说明地下水的矿化程度。
SO42- （中等矿化水中主要阴离子） ：
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？
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
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） 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。