水文地质学基础 第六章 地下水的化学成分及其形成作用讲课讲稿
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◆元素在地下水中一般以离子、分子或气体状态 存在，以离子状态为主。
一、 地下水中主要气体成分
◆主要气体成分Fra Baidu bibliotek O2、N2、CO2、CH4、H2S等，以前三种为主。
◆气体成分的意义：
1.反映了地下水所处的地球化学环境的特征 .
☆ O2起源于大气并指示氧化环境。影响地下水中元素的迁 移和化学成分的形成。
当[Ca2+ + Mg2+]≤ [HC3O- ]时, 暂时硬度=总硬度. 当[Ca2++ Mg ] 2+ > [HC3-O]时, 暂时硬度=碳酸盐硬度.
3.表示方法： ☆毫克数（mg/L ，以CaCO3计） ☆毫克当量数（meg/L ）： 一升水中含Ca2＋、Mg2＋的
毫克当量总数。 离子的当量＝离子量（原子量）/ 离子价
三、地下水中的其它成分
◆次要离子： H＋、Fe2＋、Fe3＋、Mn 2＋、NH4＋、OH－、NO3－、
NO2－、CO32－等； ◆微量元素： Br 、I、F、B、Sr等； ◆胶体： 如Fe(OH)3，Al(OH) 3和H2SiO 2等。 ◆有机质 ◆微生物
四、地下水主要化学性质 （一）酸碱性
1.表示方法： PH＝－lg[H+] PH＝7 ,水呈中性; PH<7 ,水呈酸性; PH>7 , 水呈碱性
3. HCO3－（低矿化水的主要阴离子）
◆分布广泛，但含量一般不超过数百 mg/l. 除了酸性水外，所有淡水中 HCO3－均可出现。
◆来源： 碳酸盐岩石的溶解： 岩浆岩与变质岩地区，铝硅酸盐矿物的风化溶解。
4. Na＋（高矿化水的主要阳离子 ）
◆ 低矿化水中， Na＋含量仅数 mg/l ～数十mg/l ； 高矿化水中， Na＋含量最高可达数十 g/l 。
◆来源： 沉积岩、岩浆岩和变质岩的溶解；海水；
5. K ＋ ◆ 地下水中K＋的含量只有 Na＋含量的4％～10％。 ◆ 一般将K＋归并到Na＋中进行分析，不另区分。
如Na＋（+ K＋ ）
6. Ca2＋（低矿化水的主要阳离子） ◆ 含量一般不超过数百 mg/L ◆来源： ☆碳酸盐类沉积物及含石膏沉积物的溶解； ☆岩浆岩及变质岩中含钙矿物的风化溶解。 7. Mg 2＋ ◆ 化学性质及来源与 Ca2 ＋相近，但地壳组成中 Mg 2＋比较少，因此含量通常较 Ca2 ＋少。
如：CO2可促进碳酸盐类的溶解。
二、地下水中主要离子成分
◆主要离子共 7种： Cl－、SO42－、HCO3－、Na＋、K ＋、Ca2＋、Mg2＋
◆占主要地位离子随矿化度（含盐量）的变化： ☆低矿化水 以HCO3－及Ca2＋ ，Mg2＋为主； ☆中等矿化水 以SO42－及Na＋为主，阳离子也可以
是Ca2＋ ； ☆高矿化水 以 Cl －及Na＋为主。
☆ N2的单独存在，可说明地下水起源于大气并处于还原环 境.
大气中（Ar＋Kr ＋Xe）/N2＝0.0118。据此可用以判断 地下水中N2的起源. ☆ H2S、CH4说明处于缺O2的还原环境。一般出现在封闭地 质构造的地下水中 。若浅部地下水中出现，则是受到了 污染。
2.增加水溶解盐类的能力，促进某些化学反应 .
2. SO42－（中等矿化水主要的阴离子）
◆ SO42－在水中的含量受 Ca2＋的限制，在还原环境 中可被还原成 H2S。远不如 Cl－含量高。
◆ 来源： ☆含石膏或其它硫酸盐沉积物的溶解； ☆天然硫或硫化矿物的氧化 ☆化石燃料的燃烧。 ◆煤系地层常含有很多黄铁矿，因此流经这类地层
的地下水往往以 SO42－为主； 金属硫化物矿床附近的地下水中常以 SO42－为主。
1. Cl－（高矿化水的主要阴离子)
◆广泛分布于地下水中. 含量变化大，由数mg/l ～ 数百g/l 。常可用来说明地下水的矿化程度。 ◆来源： ☆沉积岩、岩浆岩的溶解； ☆ 海水； ☆来自火山喷发物的溶滤； ☆人为污染。
注意： 居民点附近矿化度不高的地下水中如发现Cl－含量 超过一般情况，则说明已受到污染。
化合物的当量=化合物分子量 / 阴（阳）离子价 meg/L ＝mg/L / 离子的当量
☆德国度（H°） ：相当于1L水中含10mgCa2＋或 7.2mgMg 2＋的量。
1 meg/L ＝2.8 H°
4.地下水按硬度分类：
地下水类型 极软水 软 水 弱硬水 硬 水 极硬水
硬度（mg/L，以 CaCO3计）
＜75
75～150 150～300 300～450
＞450
硬度（meq/L） ＜1.5 1.5～3
3～6
6～9
＞9
硬度（H°） ＜4.2 4.2～8.4 8.4～16.8 16.8～25.2 ＞25.2
饮用水的适宜硬度一般为4.2～9 meg/L ，即12~25H°.
（四）侵蚀性
2.地下水按 PH值分类：
PH值 <5 5～7 7 7～9 >9
酸碱度 强酸性 弱酸性 中性 弱碱性 强碱性
（二）总矿化度 （总含盐量、总溶解固体 TDS）
1.总矿化度： 地下水中所含各种离子、分子及化合 物的总量。以 g/L 表示。 2.表示方法：
☆105—110℃时，将水烘干后所得的干涸残余物
的总量
☆按化学分析所得的全部离子、分子及化合物量
相加。（其中 HCO3－含量应取一半）
3.地下水按总矿化度分类：
矿化度 （g/L）
<1
1～3 3～10 10～50 >50
地下水类别 淡水 微咸水 咸水 盐水 卤水
（三）硬 度
1.硬度：水中Ca2＋、Mg2＋含量。 2.分类：
☆ 总硬度：水中所含Ca2＋、Mg2＋的总量。 ☆ 暂时硬度：将水加热至沸腾后,由于形成碳酸盐沉淀而从 水中析出的那一部分Ca2＋、Mg2＋的含量。 ☆永久硬度：水煮沸后仍留在水中的Ca2＋、Mg2＋含量。 ☆碳酸盐硬度:水中与HCO3－含量相当的Ca2＋、Mg2＋含量.
第六章 地下水的化学成分及其形成作用
6.1 研究地下水化学成分的意义 1.水是复杂的水溶液； 2.确定地下水的起源与形成。 3.各种目的利用地下水对水质有要求； 4.是宝贵的液体矿产，需要查明有关组分的富集规 律。 5. 作为找矿的标志。 6. 作为地下水污染程度的标志。
6.2 地下水的化学特征
◆元素在地下水中的含量，取决于其在地壳中的 含量及其溶解度。
一、 地下水中主要气体成分
◆主要气体成分Fra Baidu bibliotek O2、N2、CO2、CH4、H2S等，以前三种为主。
◆气体成分的意义：
1.反映了地下水所处的地球化学环境的特征 .
☆ O2起源于大气并指示氧化环境。影响地下水中元素的迁 移和化学成分的形成。
当[Ca2+ + Mg2+]≤ [HC3O- ]时, 暂时硬度=总硬度. 当[Ca2++ Mg ] 2+ > [HC3-O]时, 暂时硬度=碳酸盐硬度.
3.表示方法： ☆毫克数（mg/L ，以CaCO3计） ☆毫克当量数（meg/L ）： 一升水中含Ca2＋、Mg2＋的
毫克当量总数。 离子的当量＝离子量（原子量）/ 离子价
三、地下水中的其它成分
◆次要离子： H＋、Fe2＋、Fe3＋、Mn 2＋、NH4＋、OH－、NO3－、
NO2－、CO32－等； ◆微量元素： Br 、I、F、B、Sr等； ◆胶体： 如Fe(OH)3，Al(OH) 3和H2SiO 2等。 ◆有机质 ◆微生物
四、地下水主要化学性质 （一）酸碱性
1.表示方法： PH＝－lg[H+] PH＝7 ,水呈中性; PH<7 ,水呈酸性; PH>7 , 水呈碱性
3. HCO3－（低矿化水的主要阴离子）
◆分布广泛，但含量一般不超过数百 mg/l. 除了酸性水外，所有淡水中 HCO3－均可出现。
◆来源： 碳酸盐岩石的溶解： 岩浆岩与变质岩地区，铝硅酸盐矿物的风化溶解。
4. Na＋（高矿化水的主要阳离子 ）
◆ 低矿化水中， Na＋含量仅数 mg/l ～数十mg/l ； 高矿化水中， Na＋含量最高可达数十 g/l 。
◆来源： 沉积岩、岩浆岩和变质岩的溶解；海水；
5. K ＋ ◆ 地下水中K＋的含量只有 Na＋含量的4％～10％。 ◆ 一般将K＋归并到Na＋中进行分析，不另区分。
如Na＋（+ K＋ ）
6. Ca2＋（低矿化水的主要阳离子） ◆ 含量一般不超过数百 mg/L ◆来源： ☆碳酸盐类沉积物及含石膏沉积物的溶解； ☆岩浆岩及变质岩中含钙矿物的风化溶解。 7. Mg 2＋ ◆ 化学性质及来源与 Ca2 ＋相近，但地壳组成中 Mg 2＋比较少，因此含量通常较 Ca2 ＋少。
如：CO2可促进碳酸盐类的溶解。
二、地下水中主要离子成分
◆主要离子共 7种： Cl－、SO42－、HCO3－、Na＋、K ＋、Ca2＋、Mg2＋
◆占主要地位离子随矿化度（含盐量）的变化： ☆低矿化水 以HCO3－及Ca2＋ ，Mg2＋为主； ☆中等矿化水 以SO42－及Na＋为主，阳离子也可以
是Ca2＋ ； ☆高矿化水 以 Cl －及Na＋为主。
☆ N2的单独存在，可说明地下水起源于大气并处于还原环 境.
大气中（Ar＋Kr ＋Xe）/N2＝0.0118。据此可用以判断 地下水中N2的起源. ☆ H2S、CH4说明处于缺O2的还原环境。一般出现在封闭地 质构造的地下水中 。若浅部地下水中出现，则是受到了 污染。
2.增加水溶解盐类的能力，促进某些化学反应 .
2. SO42－（中等矿化水主要的阴离子）
◆ SO42－在水中的含量受 Ca2＋的限制，在还原环境 中可被还原成 H2S。远不如 Cl－含量高。
◆ 来源： ☆含石膏或其它硫酸盐沉积物的溶解； ☆天然硫或硫化矿物的氧化 ☆化石燃料的燃烧。 ◆煤系地层常含有很多黄铁矿，因此流经这类地层
的地下水往往以 SO42－为主； 金属硫化物矿床附近的地下水中常以 SO42－为主。
1. Cl－（高矿化水的主要阴离子)
◆广泛分布于地下水中. 含量变化大，由数mg/l ～ 数百g/l 。常可用来说明地下水的矿化程度。 ◆来源： ☆沉积岩、岩浆岩的溶解； ☆ 海水； ☆来自火山喷发物的溶滤； ☆人为污染。
注意： 居民点附近矿化度不高的地下水中如发现Cl－含量 超过一般情况，则说明已受到污染。
化合物的当量=化合物分子量 / 阴（阳）离子价 meg/L ＝mg/L / 离子的当量
☆德国度（H°） ：相当于1L水中含10mgCa2＋或 7.2mgMg 2＋的量。
1 meg/L ＝2.8 H°
4.地下水按硬度分类：
地下水类型 极软水 软 水 弱硬水 硬 水 极硬水
硬度（mg/L，以 CaCO3计）
＜75
75～150 150～300 300～450
＞450
硬度（meq/L） ＜1.5 1.5～3
3～6
6～9
＞9
硬度（H°） ＜4.2 4.2～8.4 8.4～16.8 16.8～25.2 ＞25.2
饮用水的适宜硬度一般为4.2～9 meg/L ，即12~25H°.
（四）侵蚀性
2.地下水按 PH值分类：
PH值 <5 5～7 7 7～9 >9
酸碱度 强酸性 弱酸性 中性 弱碱性 强碱性
（二）总矿化度 （总含盐量、总溶解固体 TDS）
1.总矿化度： 地下水中所含各种离子、分子及化合 物的总量。以 g/L 表示。 2.表示方法：
☆105—110℃时，将水烘干后所得的干涸残余物
的总量
☆按化学分析所得的全部离子、分子及化合物量
相加。（其中 HCO3－含量应取一半）
3.地下水按总矿化度分类：
矿化度 （g/L）
<1
1～3 3～10 10～50 >50
地下水类别 淡水 微咸水 咸水 盐水 卤水
（三）硬 度
1.硬度：水中Ca2＋、Mg2＋含量。 2.分类：
☆ 总硬度：水中所含Ca2＋、Mg2＋的总量。 ☆ 暂时硬度：将水加热至沸腾后,由于形成碳酸盐沉淀而从 水中析出的那一部分Ca2＋、Mg2＋的含量。 ☆永久硬度：水煮沸后仍留在水中的Ca2＋、Mg2＋含量。 ☆碳酸盐硬度:水中与HCO3－含量相当的Ca2＋、Mg2＋含量.
第六章 地下水的化学成分及其形成作用
6.1 研究地下水化学成分的意义 1.水是复杂的水溶液； 2.确定地下水的起源与形成。 3.各种目的利用地下水对水质有要求； 4.是宝贵的液体矿产，需要查明有关组分的富集规 律。 5. 作为找矿的标志。 6. 作为地下水污染程度的标志。
6.2 地下水的化学特征
◆元素在地下水中的含量，取决于其在地壳中的 含量及其溶解度。