06地下水的物理性质与化学成分及其演变

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3.1.2 颜色
地下水一般是无色透明的，但有时因含某种 离子、富集悬浮物或含胶体物质，也可显出各种 各样的颜色。例如含亚铁离子或硫化氢气体的水 为浅蓝绿色，含腐殖质或有机物的带浅黑色，含 黑色矿物质或碳质悬浮物的为灰色，含粘土颗粒 或浅色矿物质悬浮物的为土色，等等。
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3.1.3 透明度
地下水的温度主要来自于地温。 地壳按热力状态从上而下分为变温带、年常 温带和增温带。
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变温带：地温受气温控制，有昼夜变化和年变化， 变幅随深度增加而减小；
常温带：气温的影响趋于零的深度。地温一般略 高于所在地区的年平均气温，概略计算时可用所 在地区的年平均气温来代替地温。
常温带深度在低纬度地区为5～10米，中纬度 地区为10～20米；
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3.2 地下水的化学成分
地下水中的化学元素一般以气体、离子和分子状
态存在。
3.2.1 地下水中常见的化学成分
1.气体
地下水中溶解的气体主要有CO2、O2、N2、CH4、 H2S，还有少量的惰性气体和H2、CO 等。
（1）O2、N2（来源：大气） O2含量高，表明地下水所处的地球化学环境为氧 化环境 ；
地下水的物理性质 和化学成分
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地下水的物理性质和化学成分是地下水与周围 环境长期相互作用的结果，它是一种重要信息 源，研究地下水的物理性质和化学成分可以帮 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。
从实际应用来看，不同的用水目的，对水质要 求不同，因此研究地下水的物理性质和化学成 分是水质评价的需要。
地下水的透明度决定于水中所含盐类、悬 浮物、有机质和胶体的数量。透明度分为透 明、微混浊、混浊和极混浊四级。水深60 厘 米时能看见容器底部3 毫米粗的线者为透明； 于30～60 厘米深度能看见者为微混浊；30 厘米深度以内能看见者为混浊；水很浅也看 不见者为极混浊。

6.2 地下水的物理性质
6.2.2 温度
埋藏在不同深度的地下水，其温度变化规律不同。根据受热 源影响的不同，地壳表层可分为变温带、常温带及增温带。
变温带——受太阳辐射影响的地表极薄的带。近地表的地下水温 度受气温的影响较大，具有周期性的昼夜变化和季节变化：
温度具有昼夜变化的地下水，其埋藏深度一般在3-5m (1-2m)以内，
一个地区地下水的化学面貌，反映了该地区地下水的历史演变。
人类活动对地下水物理性质和化学性质的影响，在时间上虽然非 常短，然而，在许多情况下这种影响已经深刻地改变了地下水的 面貌！
在实际生产和科研工作中，对地下水的物理性质 和化学性质的研究，有着重要意义：
阐明地下水的起源与形成； 揭示许多地质过程； 水质评价。 研究地下水中化学元素的时空分布特征和迁移转化 规律的学科是——水文地球化学。
度最小；钙的硫酸盐，特别是钙、镁 的碳酸盐的溶解度最小。
盐类 NaCl
溶解度 (0℃，g/L)
350
随着矿化度的增加，钙镁的碳 酸盐首先达到饱和析出，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了， 由于氯化钙的溶解度更大，因此在矿
KCl 290
MgCl2 CaCl2 Na2SO4 MgSO4 CaSO4
6.2.3 颜色
地下水的颜色主要由其成分和悬浮于其中的杂质所决定： 一般的地下水为无色； 含硫化氢气体的水，在氧化后由于有硫磺胶体产生，故常呈翠绿色； 硬度大的水为浅蓝色，含氧化亚铁的水呈浅蓝绿色，含氧化铁的水 呈褐红色；
含腐殖质的水多呈暗黄褐色。
含有悬浮杂质的水，其颜色决定于悬浮物的颜色，颜色深浅则取 决于悬浮物的多少。
分级
说
明

• • • • •
（三）地下水中的其他成分 1、微量组分——说明地下水形成的环境 2、胶体化合物 来源于有关矿床的风化溶解。 有机胶体，在气候炎热的沼泽地带的地下 水中含量较高 • 3、有机质 • 由生物的排泄物和生物遗骸分解形成。主 要分布于含石油、沥青、煤、泥炭、淤泥 等岩石中。 • 4、微生物——可以指示地下水所处的环境
地下水中CO2增加，水对碳酸盐岩的溶解、结晶 增加，水对碳酸盐岩的溶解、 地下水中 风化溶解能力愈强！ 岩风化溶解能力愈强！
）、地下水中主要离子成分 （二）、地下水中主要离子成分
地下水中含量多的有七种离子，阴离子： 地下水中含量多的有七种离子，阴离子：HCO-3，SO2-4，Cl阳离子： 阳离子： Ca2+, Mg2+, K+, Na+ 低含盐量的地下水——HCO-3、 Ca2+、Mg2+ 低含盐量的地下水 、 中等含盐量的地下水—— Ca2+、SO2-4、Na+ 主要原因：水中盐 中等含盐量的地下水 主要原因： 高含盐量的地下水—— Cl-、Na+ 高含盐量的地下水 类溶解度不同所致 碳酸盐类 < 硫酸盐类 < 氯化物 1、氯离子——最稳定的离子，是地下水含盐量多寡的标志 氯离子——最稳定的离子， ——最稳定的离子 来源： 来源：沉积岩中所含岩盐或其他氯化物溶解 岩浆岩中含氯矿物的风化溶解 海水入侵 火山喷发物的溶滤 人为污染
• 总硬度 = 暂时硬度 ＋ 永久硬度
• （四）地下水的侵蚀性——含侵蚀性CO2的 水、硫酸盐对混凝土的侵蚀；酸性水对机 械设备的侵蚀
溶滤作用—水岩相互作用时发生， 溶滤作用—水岩相互作用时发生，岩石成分溶解进入地下水 浓缩作用—蒸发排泄时发生，水分蒸发， 浓缩作用—蒸发排泄时发生，水分蒸发，矿化度不断增加 脱碳酸作用—在温度与压力发生变化时发生， 脱碳酸作用—在温度与压力发生变化时发生，溶解性碳酸盐沉淀 析出，硬度降低，pH值增大。 析出，硬度降低，pH值增大。 值增大 脱硫酸作用—在还原环境下发生： S↑。 脱硫酸作用—在还原环境下发生：SO42-→ H2S↑。脱硫细菌将硫 酸根还原成硫化氢，pH值增大 ——寻找油田的标志 酸根还原成硫化氢，pH值增大 ——寻找油田的标志 阳离子交替吸附作用—水中阳离子与岩土颗粒发生电性吸附， 阳离子交替吸附作用—水中阳离子与岩土颗粒发生电性吸附，吸 附能力强的置换吸附能力弱的 混合作用— 种不同类型地下水混合时发生， 混合作用— 2种不同类型地下水混合时发生，产生新成分 人类活动的作用——影响越来越大 主要发生在： 生产、 人类活动的作用——影响越来越大。主要发生在： 1 ）生产 、 生 —— 影响越来越大。 活废水、废渣排放； 施工、采矿、打井等人类活动， 活废水 、废渣排放； 2 ） 施工、 采矿、打井等人类活动，影响地 下水位， 下水位，从而影响水质

早期， 早期，Cl盐最易溶于水中→随水带走，岩土贫Cl盐继续作用，较易溶
后期溶滤作用—长期强烈溶滤作用的结果是难溶成分的低矿化水 后期 去考察，去分析与研究问题！！
（二）浓缩作用
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 浓缩作用（过程）——理想的蒸发浓缩模式
水份失去过程→盐分相对浓集，化学成分的变化 （实际上与上述理想模式是不同的）
水中以哪种阴、阳离子为主？

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（一）溶滤作用——结果 结果
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 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： 因此，分析溶滤作用及其地下水的成分特征：
① 要从地质历史发展的眼光（角度）来理解—它是地质历史长期作用的结果 ② 地下水是不断运动的—溶解的组分会被带去（岩土组分变化） 前期溶滤作用—溶滤什么组分 溶滤什么组分， 前期溶滤作用 溶滤什么组分，水中获得相应组分
0.5L水 水
蒸发（2）
0.25L 1400mg/L
蒸发（3）
0.125L 2800mg/L

0.25L 水
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地下水化学特征具有分带性
由于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， 由于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（空间上的）。 地下水的化学特征往往具有一定的分带性（空间上的）。
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（二）主要离子成分
这与主要离子构成的盐类溶解度有关：
硫酸盐类 < 氯化物 常见离子在水中的相对含量与地下水中的总固体溶解物（TDS 矿化度(g/L) : 低(<1) 阴 阳 离 离 子: 子: HCO-3 Ca2+ 中(1-10) 高(10-30) SO2-4 Ca2+,Mg2+ ClNa+,K+

饮用水水质评价 工业用水水质评价 农业用水水质评价 工程建设项目用水水质评价
§2 地下水的物理性质
地下水的物理性质包括水温、颜色、透明度、味道、气味、比 重、放射性、导电性。它在一定程度上反映了地下水的化学成分及其 存在的环境条件。
一、地下水的温度
水温变化范围-5℃以下－100℃以上。在寒带和多年积雪地带，浅层的 地下水温可低达-5℃以下；在温带和亚热带的平原、丘陵区浅层地下水的年 平均温度一般接近于当地年平均气温；在火山活动地区及地壳深处，地下水的 温度很高，可超过100℃。如我国广东丰良地区在地下800m深处，打出了 103.5℃的热水。
③增温带：
❖ 常温带以下,地温受地球内热影响，随深度加大而有规律地升高—— 增温带。 深度每增加100m温度增加的值称地热增温率（地温梯度， 单位：℃/100m），温度每增加一度深度增加的值称地热增温级。 各地增温级不同， 华北：33-43m；北方山区：50m；古老结晶岩区：1000m； 近火山区：1m；一般山区：33m，由于变化不大，故地下水“冬 暖夏凉”。
地下水的温度受其赋存与循环所处的地温控制：
❖ 变温带中浅埋地下水显示微小的水温季节变化。 ❖ 常温带地下水温与当地年平均气温很接近。(地温年变化幅度小于
0.1℃) ❖ 增温带地下水随其赋存与循环深度的加大而提高,成为热水甚至蒸汽。 ❖ 利用年平均气温t、年常温带深度h、地温梯度r，可计算某一深度H的
❖ 如地下水中含有重碳酸钙、重碳酸镁及碳酸时，水味便爽快、适口， 人们称这种水为“甜水”
❖ 如含氯化物会使水发咸味 ❖ 含硫酸钠、硫酸镁使水变苦，而且常引起饮用者呕吐、腹痛和腹泻
❖ 含盐分过多时水味发涩
❖ H2S与碳酸气同时存在有酸味，有机质有甜味，但不适饮用。

三、硫化氢（H2S）
1、分布特征 （1）一般地下水中含量很少，多在1mg/L以下。 （2）在油田地下水及现代火山活动区地下水中，H2S 含量较高，可达几百mg/L~几十g/L，H2S的存在说明地 下水处于还原环境。 2、来源 （1）有机物来源：含硫蛋白质的分解，经常出现在 生物残骸腐烂的地方。 （2）无机来源：缺氧条件下，脱硫酸作用使硫酸盐 还原分解而产生H2S；火山喷发气体的析出。 3、与人体健康关系 H2S＞2mg/L以上的地下水，称为H2S矿水，H2S矿水 可治疗多种外伤及皮肤病。
四、二氧化碳（CO2）
1、基本概念 A）游离CO2 B）平衡CO2
溶解于水中的CO2统称为游离CO2 与HCO3-相平衡的CO2，称为平衡CO2
CO2 H 2O H HCO3
C）侵蚀性CO2
当水中“游离CO2”，大于“平衡CO2”时，多 余部分的CO2对碳酸和金属构件等具有侵蚀 性，这部分CO2，即为“侵蚀性CO2”
CaCO3 CO2 H 2O 2HCO3 Ca 2
四、二氧化碳（CO2）
2.来源：
空气中的CO2。 空气中的CO2按体积只占0.3%，可造成水中0.5mg/L的CO2 地下水中的C02主要来源于土壤（有机质残骸的发酵作用 与植物的呼吸作用使土壤中源源不断产生C02并溶入流经 土壤的地下水中）。 如在地下6米深的空气中含7%的CO2，比地面空气中的
研究特征：不能从纯化学角度,孤立、静止地研究地下
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
水的化学成分及其形成,必须从水与环境长期相互作用
的角度,去揭示地下水化学演变的内在依据与规律。因 为地下水水质的演变具有时间上继承的特点： 自然地理与地质发展历史给予地下水的化学面貌以 深刻影响。

墨水味 锈味 甜味 水中含有氧化亚铁 水中含有氧化铁 水中含有大量有机质
水的 味道
咸味
涩味 苦味 清凉可口 味美适口
水中含有 NaCL
水中含有 Na2SO4 水中含有 MgCL2或 MgSO4 水中含有重 CO2 水中含有重碳酸钙、镁
六、比重（specific gravity） 地下水的比重取决于其中所溶解盐分的含量。地下淡水的比重通常认为与化 学纯水的比重相同，其数值为1。水中溶解的盐分越多，比重越大，有的可达 1.2--1.3。
四、嗅味（smell） 用鼻子闻，地下水一般是无气味的，但当其中含有某些离子或某种气体时， 则出现特殊的气味。例如：水中含有H2S气体时，具有臭鸡蛋气味；水中亚铁 盐含量很高时具有铁腥气味；含有腐殖质时具有腐草（沼泽）气味。水的气味 在低温时很难判断，加热到40 ℃时气味最明显。
地下水的物理性质
五、味道（sapor） 用嘴尝。地下水的味道取决于它的化学成分。
分 类 极软水 软水 微硬水 硬水 极硬水 Ca2+ 和Mg2+ 毫克当量 / L 德国度
＜1.5 1---3 3---6 6---10 ＞10
＜ 4.2 4.2---8.4 8.4---16.8 16.8---25.2 ＞ 25.2
6.2.4 地下水的总矿化度及化学表示式
酸碱度 PH=－lg[ H+ ]
测定地下水颜色的方法：取两支无色透明玻璃试管，一支装蒸馏水， 一支装被测地下水， 在管下衬以白纸，自上而下观测其颜色。
地下水的物理性质
三、透明度（diaphaneity） 地下水的透明度取决于水中固体与胶体悬浮物的含量。 地下水按透明度分为四 级：透明的、微浊的、混浊的和极浊的。 透明度的测定方法：通过盛水样的试管，以看清 3mm粗线的水深来确定。

五、地下水中的其它成分
1.次要离子：H+、Fe2+、Fe3+、Mn2+、NH4+、OH－、NO2－、NO3－、 CO32－、 SiO3－、PO43－等。
2.微量组分：Br、I、F、B、Sr 、Ba等。其作用：
1）说明地下水的形成环境；
2）对人体健康有明显影响。
3.未离解的化合物构成的胶体：如Fe(OH)3、A1(OH)3、H2SiO3等。
3.二氧化碳（CO2）
1）来源：
a.主要来源于土壤。有机质残骸的发酵作用与植物的呼吸作用使土壤不 断产生CO2，并溶入流经土壤的地下水中。
b.深部变质来源。含碳酸盐类的岩石，在深部高温下，也可以变质生成 CO2。
在少数情况下，地下水中可能富含CO2 甚至高达1g/L 以上。
c.少量来源于降水和地表水，但含量通常较 低。
d.人为来源。
2）作用：地下水中含CO2 愈多，其溶解碳酸盐岩与对结晶岩进行风化 作用的能力便愈强。
四、地下水中主要离子成分
1.总体特征
1）主要离子成分：氯离子（C1－）、硫酸根离子(SO42-)、重碳酸根 离子（HCO3－）、钠离子（Na+）、钾离子（K+）、钙离子（Ca2+） 及镁离子（Mg2+）。
3.地下水化学成分对于用于各种地下水利用的目的，水质评价都具有决定性 意义。
4.地下水化学成分的确定，有助于查明地下水有关物质的迁移、分散规律， 对寻找矿产资源，确定矿床或污染源位置具有重要意义。
三、地下水化学成分研究理论及特征
1. 理论基础：水文地质学的分支——水文地球化学，研 究地下水中化学元素迁移、集聚与分散的规律，地下水 水质演变的学科。
地壳中钾的含量与钠相近，钾盐的溶解度也相当大。但是，在地下水中 K+的含量要比Na+少得多。原因： a.K+大量地参与形成不溶于水的次生矿物(水云母、蒙脱石、绢云母)； b.易为植物所摄取。

溶滤作用——岩石中的某些可溶部分被溶解转入地下水中而成为 溶液的作用。
溶滤作用的强度取决于下列因素： 1）组成岩土的矿物盐类 2）岩土的空隙特征 3）水的溶解能力 4）水中CO2、O2等气体成分的含量 5）水的流动状况
地下水在运动过程中的作用
浓缩作用——地下水在运动的过程中由干水分不断地蒸发(当埋藏 较浅时)，地下水中的含盐量便会相对地增加，这种作用即称为浓 缩作用。
地下水在运动过程中的作用
脱碳酸作用 碳酸盐类在地下水中的溶解度决定子水中的CO2的含量。当
地下水在运动过程中由于环境改变使地下水的温度增高或压力 减小时，水中的CO2便会从水中逸出，这时水中的HCO3-就会 与Ca2+、Mg2+结合形成CaCO3或MgCO3沉淀析出，从而改变 了地下水的化学成分，这种作用即脱碳酸作用。
1组成岩土的矿物盐类2岩土的空隙特征3水的溶解能力4水中co等气体成分的含量5水的流动状况地下水在运动过程中的作用浓缩作用地下水在运动的过程中由干水分不断地蒸发当埋藏较浅时地下水中的含盐量便会相对地增加这种作用即称为浓缩作用
第三章
地下水的物理性质和化学成分
1 地下水的物理性质 2 地下水的化学成分 3 地下水化学成分的形成与演变 4 与人类生存的关系
地下水在运动过程中的作用
脱硫酸作用 在缺氧的还原环境中，地下水含的SO42-在有机物存在的条件
下，由于微生物(脱硫细菌)作用的结果，使水中的SO42-可被还原 成为H2S，这样地下水中的SO42-就会减少甚至消失，而H2S气体 与HCO3-的含量则会增加，这种作用即脱硫酸作用
产生条件：1）缺氧；2）存在有机物。
地下水化学成分性质
➢ 总含盐量——存在于地下水中的离子、分子和微粒（不含气 体）之总含量，用“g/L”表示。