第一章地下水的化学成分

镁离子（Mg2+）：
• 来源：
沉积岩：含镁的碳酸盐类沉积(白云岩、泥 灰岩）； 岩浆岩、变质岩中含镁矿物的风化溶解。 • 含量： 低TDS水中含量通常较Ca2+少,通常不成为地 下水中的主要离子,部分原因是由于地壳组成中 Mg比Ca少。
元素的水文地球化学特性
元素
氯离子
来源
盐岩的沉积层、 钾盐矿床、风化 岩浆岩；火山喷 溢；降水；废水
(5)水具有良好的溶解性能。几乎所有的物质 都能被水溶解。水对固体物质的溶解性能主 要是由水的偶极性结构、水能使盐类离子水 化以及水的高介电效应等性质所决定。 (6)水具有高介电效应。在水中盐类离子晶体 发生离解时，一些水分子围绕着每个离子形 成一层抵消外部静电引力(或斥力)的外膜， 它会部分地中和离子的电荷，并阻止正、负 离子间的再行键合，这种水分子的封闭外壳 起绝缘效应(或屏蔽效应)，称为介电效应。
地下水的化学成分，概括来说是由无机物、
有机物、气体、微生物和同位素等成分组
成。
天然水组成分类
按水中所含成分的颗粒大小及其在水中的分散状态：
分类
真溶液（分子 －离子分散系 ）
胶体（胶体分散 系）
颗粒直径
<10Å
主要物质及形式
各种无机、有机低分子物质的 溶解分子、自由离子；
10Å至1000～
2000Å
重碳酸 各种碳酸盐岩 主要受碳酸平衡的控制；碳酸钙、碳酸镁的 和多种沉积岩中 溶解度很低，含量受到的Ca2＋限制。可以在 根和碳 碳酸盐胶结物； 酸性水以外的任何天然水中遇到，在低矿化度 酸根离 CO2溶于水 水中占主导地位。 子
元素 钠离子
来源
铝硅酸盐矿物的风 化；盐岩沉积层， 分散在岩石土壤中 的盐岩
当水呈中性和弱碱性时，溶于水的H4SiO4处于不解离状态，只有当 水为强碱性时，才发生解离形成其它组分。
水质分析结果中，将硅酸浓度以SiO2计（称 为“可溶性SiO2 ”），实际上是可溶性硅的 总量； 在水文地球化学研究中，也以偏硅酸H2SiO3 表示可溶性硅的含量。分析的SiO2含量乘 以1.3即为可溶性硅酸（ H2SiO3 ）的含量。
重碳酸根离子（HC03-）：
• 地下水中的重碳酸的来源：
①含碳酸盐的沉积岩与变质岩（如大理
岩）；
②岩浆岩与变质岩区, 铝硅酸盐矿物的风
化溶解,如:(钠长石、钙长石）；
• 地下水中HC03-的含量：
一般不超过数百mg/L, HC03-总是低矿化水
的主要阴离子成分。
钠离子（Na+）:
• 含量：
低TDS水中含量一般很低,仅数mg/L到数十mg/L;
微量组分
0.01～10 mg/ L
痕量组分
一般<0.1 mg/L
• 溶解性总固体(TDS，TDS)：指溶解在水中的 无机盐和有机盐的总称(不包括悬浮物和溶解 气体等非固体组分)。
总TDS的表征方式：
a.习惯上以105 ℃一110 ℃时将水蒸干
所得的干涸残余物总量来表征；
b. 在水质简分析中是用分析所得的阴阳
摩尔浓度：常见的摩尔浓度表示方法有两种， 一种是以每升溶液中所含溶质的摩尔数来表 示，另一种是以每千克溶液中所含物质的摩 尔数来表示。
当量浓度：离子的摩尔浓度(mol/L)与其离子 价的乘积。1eq/L=1000meq/L。
按水中所含成分的分布和含量：
分类
主要组分
含量
>5 mg/ L
主要成分
Cl-、SO42-、 HCO3-、 Na+、K+、 Ca2+、Mg2+、SiO2 B、NO3-、CO32-、F-、Sr、Fe Br 、I 、As 、Li、Sn等
特性
钠的所有盐类都具有较高的溶解度， 因此钠的迁移性是很强的，仅次于氯。 交换吸附反应使之从溶液中析出，所 以在水的矿化度增长过程中，Na＋的 增长有时会落后于Cl－。高矿化度时 钠成为主要阳离子
钾离子
钙离子
铝硅酸盐矿物的风 化；钾盐矿床
一般只有钠含量的4～10％，动植 物有机质可以从水中吸收钾
石灰岩、白云岩 ， 硫酸钙和碳酸钙的溶解度低，天然 水中Ca2＋的含量一般很低。只有在 石膏的溶解和含钙 深层氯化钙卤水中，Ca2＋的含量才 硅酸岩的风化，阳 可以达到n*10g/L。低矿化度的水中， 离子交换 钙离子经常占优势 。 主要是白云岩、泥 灰岩和其他岩石的 溶解。 镁盐溶解度比钙盐大，但镁盐在地 壳中分布不广，易被植物吸收，所以 很少见到镁占主要成分的水。
高TDS水中主要的阳离子，含量最高可达数十g/L。
• 来源：
沉积岩中岩盐及其它钠盐的溶解；
海水； 岩浆岩和变质岩区含钠矿物的风化溶解。
钾离子（K+）： • 钾离子的来源： 含钾盐类沉积岩的溶解； 岩浆岩、变质岩中含钾矿物的风化溶解。 • 低TDS水中含量甚微，高TDS水中较多。
• K+大量地参与形成不溶于水的次生矿物（水云母、蒙脱
高分子物质及溶胶微粒 悬浊液和乳浊液;大多数微生 物
悬浮液（Fra Baidu bibliotek分 散系 ）
>2000Å
化学物质在水中的含量，常用浓度来表示， 常用浓度单位有质量浓度、摩尔浓度和当量 浓度。
质量浓度：有的以每升水中所含溶质的毫克 数(mg/L)或者微克数(µg/L)来表示，有的则 以每千克溶液中含溶质的毫克数(ppm)或者 微克数(ppb)来表示。
(4)水具有使盐类离子产生水化作用的能力。 水分子的正极吸引着水中的阴离子，而负极 则吸引着阳离子，这种水中离子与水分子偶 极间的相互吸引作用，使得水中正负离子周 围被水分子所包围的过程成为离子水化作用 (离子的溶剂化作用)。离子的水化作用减弱 了正、负离子之间的相互吸引力，这是多数 盐类能够溶于水的重要原因。
特性
氯化钠、镁、钙盐的溶解度都很大，它不形 成难溶的矿物，不被胶体所吸附，也不能被 生物积累。具有很强的迁移能力。在高矿化 度水和盐水中占主导地位。
硫酸根 离子
各种沉积岩中的 迁移性能仅次于氯离子；含量由于Ca2＋的存 石膏、硬石膏及其 在而受到限制；在缺氧的条件下，可以被还原 它硫酸盐的沉积物 ； 成硫化氢；能被生物捕获。在中等矿化度水中 硫化物，火山喷发， 占主导地位。 降水 ，废水
石、绢云母），并易为植物所摄取，因此，地下水中K+ 的含量要比Na+少得多。 • K+的性质与Na+相近，含量少，分析比较费事，故一般 情况下，将K+归并到Na+中，不另区分。
钙离子（Ca2+）: • 含量： 低TDS水中的主要阳离子,其含量一般不 超过数百mg/L。 高TDS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+。TDS格外高的水,钙 也可成为主要离子。 • 来源： 碳酸盐类沉积物及含石膏沉积物的溶解； 岩浆岩、变质岩中含钙矿物的风化溶解。
氯离子(Cl-) • 氯离子在地下水中广泛分布,但低矿化水中一般含量仅数 mg/L到数十mg/L,高矿化水中可达数g/L乃至100 g/L以上。 • 地下水中Cl-的主要来源: ①沉积岩中所含岩盐或其它氯化物的溶解; ②岩浆岩中含氯矿物方钠石[NaAlSiO4· aCl]、氯磷灰石 N [Ca5(PO4)3Cl]的风化溶解; ③海水：海水补给地下水，或来自海面的风将细沫状的海水带 到陆地，使地下水中Cl-增多; ④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-。 • Cl-不为植物及细菌所摄取，不被土粒表面吸附，氯盐溶解度 大，不易沉淀析出，是地下水中最稳定的离子。 Cl-的含量随 着TDS增长而不断增加，Cl-的含量常可用来说明地下水的矿 化程度。
总的规律：
• 氯盐的溶解度 > 硫酸盐 > 碳酸盐
• TDS异常高的地下水中以氯和钙为主的原因：
钙的硫酸盐,特别是钙、镁的碳酸盐,溶 解度最小;随着TDS增大,钙、镁的碳酸盐首先 达到饱和并沉淀析出,继续增大时,钙的硫酸 盐也饱和析出,因此,高矿化水中便以易溶的 氯和钠占优势（由于氯化钙的溶解度更大,故 在TDS异常高的地下水中以氯和钙为主）。
(2)水具有较大的表面张力。表面张力是指液 体中处在液面层的分子受到一个朝向液体内 部的合力作用。水的表面张力对研究包气带 的水分运移及水文地球化学现象有重要意义。 (3)水具有较小的黏滞度和较大的流动性。黏 滞性是一种表征液体内部质点间阻力(内摩擦 阻力)程度的性质。水分子不易断开，但可作 一定距离的摆动和拉长，故水易于变形。
(1)水具有独特的热理性质： ①水的生成热很高(-285.8kJ/mol)。生成热指 稳定单质生成1mol化合物时的反应热。由于水 的生成热很高，故其热稳定性很高。 ②水具有很高的沸点及到达沸点以前极长的液 态阶段。(和氧的同族元素氢化物相比)水的这 一异常特性，使得地球上有大量液态水的存在， 地球上的生命物质才得以繁衍生存。 ③水的热传导、热容、溶化热、汽化热以及热 膨胀，几乎比所有其他液态都高。 ④水的体积变化特殊。4℃时密度最大。
一般情况下,随着溶解性总固体的变化,地下水 中占主要地位的离子成分也随之发生变化，即： 低矿化水中以HC03-、Ca2+、Mg2+为主; 高矿化水以Cl-、Na+为主; 中等矿化水中,阴离子常以S042-为主,主 要阳离子为Ca2+、Mg2+。
地下水的溶解性总固体与离子成分间之所以具
有这种对应关系,主要原因是水中盐类的溶解度 不同。
硅酸（可溶性SiO2)
SiO2可以构成多种硅酸，常用通式：xSiO2· 2O. 具有一 yH 定稳定性并能独立存在的硅酸有： 偏硅酸H2SiO3（x=1，y=1）， 正硅酸H4SiO4（x=1，y=2）
H4SiO4在水中可以解离形成H3SiO4-和H2SiO42-。
含硅组分的浓度、石英及非晶质SiO2的溶解度随pH值的变化
第一章 地下水的化学成分
1.1 水的结构与性质
1.2 地下水的化学成分
1.3 地下水质的综合指标及图形表示
• 水分子中氢原子围绕氧原子的排布是不对 称的，即两个氢原子不是排列在通过氧原 子中心的一条线上，而是以104°45′的夹 角进行排布，水分子中氢、氧原子的这种 排布，使水分子在结构上正、负电荷静电 引力中心不相重合，从而形成水分子的偶 极性质，即位于氧原子的一端为负极，而 位于氢原子的一端为正极。
硫酸根离子（SO42-）： • 不同TDS水中（SO42-）的含量： 高矿化水,含量仅次于Cl-,可达数g/L; 低矿化水,一般含量仅数mg/L; 中等矿化水, SO42-常成为含量最多的阴离 子。 • 硫酸根离子（SO42-）来源： 含石膏或其它硫酸盐的沉积岩的溶解。 煤系地层含有黄铁矿；金属硫化物矿床附 近。 化石燃料的应用给大气人为产生的SO2与氮 氧化合物，构成富含硫酸及硝酸的降水(酸雨， pH<5.6),使地下水中SO42-增加。
• 地下水中分布最广、含量较多的离子（七
种）：
Cl-、SO42-、HCO3-、Na+、K+、Ca2+、Mg2+。
• 构成这些离子的元素，或是地壳中含量较高， 且较易溶于水的（如O2、Ca、Mg、Na、K ）； 或是地壳中含量虽不很大，但极易溶于水的 （Cl、以SO42-形式出现的S）。
• Si、Al、Fe等元素，虽然在地壳中含量很大， 但由于难溶于水，地下水中含量通常不大。
元素 溴
来源
自然界极少遇到 含溴的矿物，岩 石中分散状态的 溴和海洋中的溴 是地下水中溴的 主要来源 火成岩, 沉积岩, 粘土
特性
溴和氯一样，随着水的矿化度增加而 不断增加，但是在成盐过程中，进入 石盐沉积阶段，溴离子和氯离子即分 开，氯离子进入固相而溴离子的大部 分仍留在水中，这说明溴化物的溶解 度比氯化物更高。 在水中迁移时,锶是钙的“伴侣”。 在深层氯化物卤水中可见到其高含量。 在海水浓缩产生盐类沉淀时，天青石 的沉淀在方解石之后，石膏和硬石膏 之前。
镁离子
铁的水文地球化学特性受pH 和Eh的影响很大。在酸性介质中不同的Eh值时， 以Fe3+或Fe2+形式存在；在碱性介质中以Fe(OH)2或Fe(OH)3形式存在。 pH从6 增加到8，铁在水中的溶解度减少106倍。因此，当含铁的酸性水进入弱碱性介 质中， 会发生Fe(OH)3沉淀。导致水中铁浓度减少。
离子含量相加，然后减去HCO3-含量的一半，
作为水的TDS。
为什么要减去一半，这是因为在蒸干时
有将近一半的HCO3-分解生成CO2及H2O而逸失，
同时保证与干涸残余物的重量相匹配。
• 按溶解性总固体含量(g/L)，将地下水分类 为：淡水<1，微咸水1～3，咸水3～10，盐 水10～50，卤水>50。