1、第六章第六章 地下水的化學(xué)成分及其形成作用地下水的化學(xué)成分及其形成作用水文地質(zhì)學(xué)質(zhì)學(xué)基礎(chǔ)礎(chǔ)第一節(jié)第一節(jié) 概述概述研究地下水化學(xué)成分的意義：不同目的利用地下水，對(duì)水質(zhì)有一定要求。解決水文地質(zhì)理論有很大作用。對(duì)闡明成礦機(jī)理有很大意義。以下幾種作用可影響地下水化學(xué)成分： 1、地下水與周圍巖石發(fā)生化學(xué)反應(yīng)； 2、與大氣圈、水圈、生物圈進(jìn)行水量交換時(shí)，交換化學(xué)成份； 3、人類活動(dòng)影響地下水化學(xué)成份。總總之，地下水的化學(xué)學(xué)成份份是地下水與環(huán)與環(huán)境以及人類類活動(dòng)長(zhǎng)動(dòng)長(zhǎng)期相互作用的產(chǎn)產(chǎn)物。第二節(jié)第二節(jié) 地下水的化學(xué)特征地下水的化學(xué)特征一、地下水中的主要?dú)怏w成份一、地下水中的主要?dú)怏w成份常見 等，尤以前三種為主

2、。氣體成份一方面能說明地下水所處的地球化學(xué)環(huán)境；另一方面，有些氣體能夠增強(qiáng)水溶解鹽類的能力，促進(jìn)某些化學(xué)反應(yīng)。SHCHCONO24222,（一）（一）O O 、N N 來源于大氣，隨大氣降水及地表水補(bǔ)給地下水，地下水中O 、N 較多，說明地下水以入滲補(bǔ)給為主，與大氣圈關(guān)系密切。 溶解的氧含量越多，說明地下水所處的地球化學(xué)環(huán)境有利于氧化作用的進(jìn)行。 N 單獨(dú)存在，說明地下水處于封閉的還原環(huán)境，（大氣起源）。（二）（二）H S、 CH 說明地下水處于還原環(huán)境，有有機(jī)質(zhì)存在，并有微生物參與了生物化學(xué)反應(yīng)，（三）（三）CO 主要來源于土壤。1、有機(jī)殘骸發(fā)酵作用與植物呼吸作用使土壤中不斷產(chǎn)生CO溶入徑流

3、土壤的地下水中；2、含碳酸鹽類的巖石，在深部高溫下，也可變質(zhì)生成CO：地下水中CO愈多，其溶解碳酸鹽的能力越強(qiáng)。24003COOCCOCaa 二、地下水中的主要離子成份二、地下水中的主要離子成份七種：Na 、K 、Ca 、Mg 、Cl 、SO 、HCO 特點(diǎn)： （1）地殼中元素含量較多，且較易溶于水的（Ca、Mg 、Na、K）； （2）地殼中含量雖不很大，但極易溶于水的元素（Cl、以SO 形式出現(xiàn)的S） 注意：這些離子與水中總?cè)芙夤腆w聯(lián)系密切，相互對(duì)應(yīng)。 低礦化水中： Ca 、Mg 、 HCO 為主。 中等礦化水種：Na 、Ca 、SO 為主。 高等礦化水種：Na 、Cl 為主。 原因：氯鹽溶

4、解度最大，硫酸鹽次之，碳酸鹽溶解度較小。1 1、ClCl 來源：（1）巖鹽或其它氯化物的溶解及海 相沉積物種埋藏的海水； （2）含氯礦物的風(fēng)化； （3）海水； （4）火山噴物的溶濾； （5）人為污染。 特點(diǎn)：不為植物及細(xì)菌所攝取，不被土粒表面所吸附，不易沉淀析出，氯鹽溶解度大，是地下水中最穩(wěn)定的離子。2、SO 來源：（1）含石膏或其它硫酸鹽的沉積巖的溶解。其次天然硫，硫化物氧化使本來難溶于水的S以SO形式大量進(jìn)入水中。2FeS2 + 7O2 + 2H2O = 2FeSO4 + 4H+ +2SO4-2S + 3O2 + 2H2O = 4H+ +2SO4- （2）化石燃料燃燒產(chǎn)生SO（與氮氧化合物

5、）氧化后并吸收水分后構(gòu)成富含HSO及NNO的降雨酸雨，從而使地下水中的SO增加。 (3) 有機(jī)物分解。3、HCO 來源：（1）碳酸巖鹽的溶解； （2）巖漿巖與變質(zhì)巖地區(qū)的HCO主要來自鋁 酸鹽礦物的風(fēng)化溶解。4、Na 來源：（1）沉積巖中巖鹽及其它鈉鹽的溶解； （2）含鈉礦物的風(fēng)化溶解；5、K 來源：（1）含鉀鹽類沉積巖的溶解； （2）變質(zhì)巖、巖漿巖鹽中含鉀礦物的風(fēng)化溶解。6、Ca 來源：（1）碳酸鹽類沉積物及含石膏沉積物的溶解； （2）巖漿巖、變質(zhì)巖中含鈣礦物的風(fēng)化溶解。7、Mg 來源：（1）碳酸鹽類沉積巖的溶解； （2）巖漿巖、變質(zhì)巖中含鎂礦物的風(fēng)化溶解。三、地下水中的其它成份三、地下水中

6、的其它成份1、離子： H 、Fe 、Fe 、Mn 、NH、 OH、 NO 、NO 、CO 、SiO 、PO2、微量元素：Br、I、F、B 、Sr3、膠體：Fe(OH)、 Al(OH)及 HSiO等4、有機(jī)質(zhì)：有機(jī)質(zhì)的存在，常使地下水的酸度增加。5、微生物：氧化環(huán)境中存在硫細(xì)菌、鐵細(xì)菌；還原環(huán)境中存在脫硫細(xì)菌等；污水中各種致病細(xì)菌。四、地下水的總礦化度及化學(xué)成份表示式四、地下水的總礦化度及化學(xué)成份表示式（一）TDS：1、概念：地下水中所含各種離子、分子與化合物的總量稱總礦化度。2、表示：以每公升水中所含克數(shù)（mg/l）表示。3、測(cè)量：以105110時(shí)將水蒸干所得的干涸殘余物總量表示。（二）化學(xué)成

7、分表示式：庫爾洛夫式 1、根據(jù)水分析結(jié)果計(jì)算各離子參加化合的摩爾濃度，各離子參加化合的摩爾數(shù)量應(yīng)是離子電價(jià)與摩爾濃度之積。 2、計(jì)算各離子參加化合的摩爾百分?jǐn)?shù) 某陰（陽）離子摩爾百分?jǐn)?shù)（）= 100 3 3、將陰陽離子分別按摩爾百分?jǐn)?shù)降序排列，摩爾百分?jǐn)?shù)大于10者列入式中，小于10這也可列入，但須加 . 4、庫爾洛夫式表示格式如下：微量元素(g/l)氣體成分(g/l)礦化度(g/l)= T()pH陰（陽）離子摩爾總數(shù)該離子摩爾數(shù))()(列入摩爾數(shù)大于百分之十者陽離子列入摩爾數(shù)大于百分之十者陰離子第三節(jié)第三節(jié) 地下水的溫度地下水的溫度一、基礎(chǔ)知識(shí)一、基礎(chǔ)知識(shí)1、地殼表層有兩個(gè)熱能來源：一個(gè)是太陽

8、的輻射；另一個(gè)是來自地球內(nèi)部的熱流。2、根據(jù)受熱影響，地殼表層可分為變溫帶、常溫帶及增溫帶。變溫帶是受太陽輻射影響的地表層帶，下限深度1530m；變溫帶以下是一個(gè)厚度極小的常溫帶，地溫一般比當(dāng)?shù)啬昶骄鶜鉁馗叱?-2，一般可將當(dāng)?shù)啬昶骄鶜鉁禺?dāng)作常溫帶的地溫。常溫帶以下受地球內(nèi)部熱源的影響，地溫隨深度加大而有規(guī)律地生高。地溫梯度，指每增加單位深度時(shí)地溫的增值，地溫梯度的大致范圍在1.54/100m，平均3/100m。但個(gè)別新火山活動(dòng)區(qū)可以很高，如西藏羊八井的地溫梯度為300/100m。二、地下水溫度二、地下水溫度地下水溫度受其賦存與循環(huán)處所的地溫控制：已知年均氣溫（t）、常溫帶深度（h）、地溫梯度

9、（），可概略計(jì)算某一深度的地下水溫，即： T=t+（Hh）同樣，利用地下水溫（T），可以推算出其大致的循環(huán)深度（H），即：htTH第四節(jié)第四節(jié) 地下水化學(xué)成分的形成作用地下水化學(xué)成分的形成作用一、溶濾作用一、溶濾作用水與巖土相互作用下，巖土中一部分物水與巖土相互作用下，巖土中一部分物質(zhì)轉(zhuǎn)入地下水中，這就是溶濾作用質(zhì)轉(zhuǎn)入地下水中，這就是溶濾作用。溶濾作用的結(jié)果是巖土失去了一部分可溶物質(zhì)，地下水則補(bǔ)充了新的成分。1、溶濾作用強(qiáng)度的影響因素、溶濾作用強(qiáng)度的影響因素（1）、組成巖土的礦物鹽類的溶解度溶解度越大，溶濾作用越強(qiáng)；（2）、巖土的空隙特征缺乏空隙的巖土體，水難于和礦物鹽類充分接觸，溶濾作用微弱

10、；（3）、水的溶解能力水對(duì)鹽的溶解能力不是無限量的，當(dāng)水中某鹽類的含量達(dá)到其溶解度時(shí)，水對(duì)此鹽類便失去溶解能力，總體上說，低礦化的水溶解能力強(qiáng)，而高礦化的水溶解能力弱；水中CO、O等氣體成分的含量決定著某些鹽類的溶解能力。（4）、水的流動(dòng)性停滯的地下水，隨時(shí)間的推移，水中溶解鹽類增多，CO、O等氣體耗失，最終將失去溶解能力；地下水流動(dòng)迅速時(shí)，礦化度低，含CO、O的大氣降水和地表水等水源便會(huì)不斷入滲更新含水層中的水，使地下水可以保持較強(qiáng)的溶解能力。2、溶濾濾作用的特點(diǎn)（1）、溶濾作用越強(qiáng)，時(shí)間越長(zhǎng)，礦化度越低，水中以難溶離子為主要成分；（2）、氣候潮濕多雨、地質(zhì)構(gòu)造開啟性好、巖層導(dǎo)水能力強(qiáng)、地下

11、水徑流與水交替迅速的地區(qū)，地下水的礦化度越低。二、濃縮作用二、濃縮作用溶濾作用將巖土的成分溶于水中，地下水的流動(dòng)又把這些物質(zhì)帶到排泄區(qū)。如果一個(gè)地區(qū)以蒸發(fā)為地下水的主要排泄去路，就會(huì)發(fā)生濃縮作用。蒸發(fā)作用只排走水分，鹽分仍保留在余下的水中，隨時(shí)間的推延，地下水溶液逐漸濃縮，礦化度不斷增大，隨礦化度升高，溶解度較小的鹽類在水中相繼達(dá)到飽和而沉淀析出，易溶鹽類的離子逐漸成為水中的主要成分。1、產(chǎn)產(chǎn)生條條件（1）處于地下水排泄區(qū)因?yàn)橹挥兴丛床粩嗟叵蚰骋环秶?yīng)，才能從別處帶來大量的鹽分，使之聚集。（2）干旱或半干旱氣候（3）地勢(shì)低平，巖土顆粒細(xì)小，水位埋深較淺三、脫碳酸鹽作用三、脫碳酸鹽作用當(dāng)溫度

12、高或壓力降低時(shí)，水中的當(dāng)溫度高或壓力降低時(shí)，水中的CO 溶解溶解度減小，一部分度減小，一部分CO 從水中逸出，這便是從水中逸出，這便是脫碳酸作用。脫碳酸作用。結(jié)果：地下水中結(jié)果：地下水中HCO 、Ca 、Mg 減少，減少，礦化度降低礦化度降低322322COCOHCOHCOCaa322322MgCOOHCOHCOMg四、脫硫酸作用四、脫硫酸作用當(dāng)在還原環(huán)境中，當(dāng)有有機(jī)質(zhì)存在時(shí)，若硫細(xì)菌能使SO還原為HS：結(jié)果：水中SO減少，HCO增加，pH值增大。 32224222HCOSHOHCSO脫硫菌五、陽離子交替吸附作用五、陽離子交替吸附作用一定條件下，巖土顆粒將吸附地下水中某些陽離子，而將其原來吸附

13、的部分陽離子轉(zhuǎn)化為地下水中的組分，這便是陽離子交替吸附作用。產(chǎn)生原因產(chǎn)生原因：不同的陽離子其吸附于巖土表面的能力不同。吸附能力大小順序：HFeAlCaMgKNa以含鈣為主的地下水，進(jìn)入主要吸附有Na+的巖土?xí)r，水中Ca便置換巖土所吸附的一部分Na，使地下水中Na+增多，Ca減少。粘土及粘土巖類最易發(fā)生離子交換吸附，而在致密的結(jié)晶巖中，實(shí)際上不發(fā)生這種作用。（巖土的吸附能力取決于巖土的比表面積，顆粒越細(xì)，比表面積越大，交替吸附作用能力越強(qiáng)）注；比表面積，單位體積多孔介質(zhì)內(nèi)所有顆粒的總表面積bsUAM 六、混合作用六、混合作用成分不同的兩種水混合在一起，形成化學(xué)成分與原來兩者都不同的地下水，這便是

14、混合作用。混合作用的結(jié)果混合作用的結(jié)果（1）發(fā)生化學(xué)反應(yīng)例如，當(dāng)以SO、Na為主的地下水與含有Ca、HCO為主的地下水混合時(shí)，地下水便形成以Na、HCO為主的地下水。（2）不發(fā)生明顯的化學(xué)反應(yīng)例如，當(dāng)高礦化NaCl海水混入低礦化的重碳酸鈣、鎂型地下水中，基本上不產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，混合水的礦化度與化學(xué)類型取決于參與混合的兩種水的成分及其混合比例。3442232)(NaHCOCaSOSONaHCOCa七、人類活動(dòng)七、人類活動(dòng)1、人類活動(dòng)產(chǎn)生的廢氣物污染地下水；2、人為作用大規(guī)模地改變了地下水的形成條件，從而使其化學(xué)成分發(fā)生變化（過量開采地下水引起海水入侵、不合理引水灌溉容易造成次生鹽堿化）第五節(jié)第五節(jié)

15、 地下水化學(xué)成分的基本成因類型地下水化學(xué)成分的基本成因類型一、溶濾水一、溶濾水富含CO、O的滲入成因的地下水，溶濾它所徑流的巖土而獲得其主要化學(xué)成分，這種水稱為溶濾水。溶濾水化學(xué)成分的組成主要依靠溶濾作用，因此，其化學(xué)成分受巖性、氣候、地形等因素的影響。 絕大部分地下水屬于溶濾水。二、沉積水二、沉積水指與沉積物大體同時(shí)生成的古地下水。河、湖、海相沉積物中的水具有不同的原始成份，在漫長(zhǎng)的地質(zhì)年代中水質(zhì)又經(jīng)歷了一系列復(fù)雜變化，通常是一些高礦化的咸水。三、內(nèi)生水三、內(nèi)生水 20世紀(jì)初，曾把巖漿看作溫泉分異的產(chǎn)物，后來發(fā)現(xiàn)，在大多數(shù)情況下，溫泉是大氣降水滲入到深部加熱后重新升到地表形成的。近年來，某些

16、學(xué)者通過對(duì)地?zé)嵯到y(tǒng)的熱均衡分析得出，僅靠水滲入深部獲得的熱量無法解釋某些高溫水的出現(xiàn)，認(rèn)為應(yīng)有10%30%的水來自地球深部圈層的高熱流體的加入，這樣，源自地球深部圈層的內(nèi)生水又逐漸為人們所重視。但內(nèi)生水的研究，至今尚不成熟。第六節(jié)第六節(jié) 地下水化學(xué)成分的分析內(nèi)容地下水化學(xué)成分的分析內(nèi)容一、分析內(nèi)容一、分析內(nèi)容1、地下水化學(xué)分析類別、地下水化學(xué)分析類別根據(jù)工作的目的與要求不同，分析的項(xiàng)目與精度也不同，在一般水文地質(zhì)調(diào)查中，分為簡(jiǎn)分析簡(jiǎn)分析和全分全分析析，為了配合專門任務(wù)，則進(jìn)行專項(xiàng)分析專項(xiàng)分析。簡(jiǎn)分析用于了解區(qū)域地下水化學(xué)成分的概貌，主要分析HCO、SO、Cl、Ca、總硬度、H值。其目的是為了初

17、步了解水質(zhì)是否適于飲用。全分析用于全面了解地下水化學(xué)成分。全分析并非分析水中的全部成分，一般定量分析以下各項(xiàng)：HCO、SO、Cl、Ca、NO、NO、K、Mg、Na、NH、Fe、Fe、HS、CO、耗氧量、pH值及干涸殘余物2、在進(jìn)進(jìn)行地下水化學(xué)學(xué)分析的同時(shí)時(shí)，必須對(duì)須對(duì)有關(guān)關(guān)的地表水體取樣樣分析如果地表水體是地下水的補(bǔ)給源，則地表水的成分將影響地下水；如果地表水是地下水的排泄去路，則地表水反映了地下水化學(xué)變化的最終結(jié)果。3、地下水化學(xué)學(xué)分析結(jié)結(jié)果的表示地下水化學(xué)分析的結(jié)果，將離子含量以毫克/升與毫克當(dāng)量/升表示。這樣，水中離子含量可以用毫克當(dāng)量/升及毫克當(dāng)量百分?jǐn)?shù)表示。毫克當(dāng)量百分?jǐn)?shù)分別以陰、陽

18、離子的毫克當(dāng)量為100，求各陰、陽離子的占的毫克當(dāng)量百分比。二、地下水化學(xué)分類與圖示二、地下水化學(xué)分類與圖示1、舒卡列夫分類類前蘇聯(lián)學(xué)者舒卡列夫根據(jù)地下水中六種主要離子（K合并于Na中）及礦化度劃分的。含量大于25毫克當(dāng)量的陰離子和陽離子進(jìn)行組合，共分成49型水，每型以一個(gè)阿拉伯?dāng)?shù)字作為代號(hào)。按礦化度又劃分為4組：A組礦化度小于1.5g/L，B組1.5-10 g/L，C組10-40 g/L，D組大于40g/L。優(yōu)點(diǎn)：簡(jiǎn)明易懂。缺點(diǎn)：以25毫克當(dāng)量的離子未反映其大小的次序，反映水質(zhì)變化不夠細(xì)致。2、派珀三線圖線圖解（1）三線圖構(gòu)成派珀三線圖解由兩個(gè)三角形和一個(gè)菱形組成。左下角三角形的三條邊線分別代表陽離子中的Na+K、Ca及Mg的毫克當(dāng)量百分?jǐn)?shù)；右下角三角形的三條邊線分別代表陰離子中的Cl、SO及HCO的毫克當(dāng)量百分?jǐn)?shù)。（2）應(yīng)用任一水樣的陰陽離子的相對(duì)含量分別在兩個(gè)三角形中以標(biāo)號(hào)