6第六章__地下水的化学成分及其形成作用
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1 第六章地下水的化学成分及其形成作用
6．1概述
地下水不是化学纯的H2O，而是一种复杂的溶液。
天然：
人为：人类活动对地下水化学成分产生影响。
地下水的化学成分是地下水与环境、以及人类活动长期相互作用的产物。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。
水是最为常见的良好溶剂，可溶解、搬运岩土中的某些组分。水是地球中元素迁移富集的载体。
利用地下水，各种行业对水质都有一定的要求→进行水质评价。
6．2地下水的化学特征
1．地下水中主要气体成分
O2、N2 、CO2、CH4、H2S等。
1）O2 、N2
地下水中的O2 、N2主要来源于大气。地下水中的O2含量多→说明地下水处于氧化环境。在较封闭的环境中O2耗尽，只留下N2，通常说明地下水起源于大气，并处于还原环境。
2）H2S、甲烷（CH4）
1）水量→地下水动力学
2）水质→水文地球化学 对地下水的研究 →水文地质学的理论基础 发生化学反应岩石圈水圈交换化学成分 2 地下水中出现H2S、CH4 ，其意义恰好与出现O2相反，说明→处于还原的地球化学环境。
3）CO2
CO2主要来源于土壤。化石燃料（煤、石油、天然气）→CO2（温室气体）→温室效应→全球变暖。
地下水中含CO2愈多，其溶解碳酸盐岩的能力便愈强。
2．地下水中主要离子成分
7大离子：Cl、SO42、HCO3、Na、K、Ca2、Mg2。
低矿化水中（M<12g/L）：HCO3、Ca2+、Mg2+为主（难溶物质为主）；
中矿化水中（M=25g/L）：SO42、Na+、Ca2+为主；
高矿化水中（M>5g/L）：Cl、Na+为主（易溶物质为主）。
造成这种现象的主要原因是水中盐类溶解度的不同：
１）Cl
主要出现在高矿化水中，可达几g/L 100g/L以上。
来源：
① 来自沉积岩氯化物的溶解；
② 来自岩浆岩中含氯矿物的风化溶解；
碳酸盐溶
解 度矿 化 度小低HCO3-SO42-Cl-大高硫酸盐氯盐 3 ③ 来自海水；
④ 来自火山喷发物的溶滤；
⑤ 人为污染：工业、生活污水及粪便中含有大量Cl，
因此居民点附近矿化度不高的地下水中，如Cl含量超过寻常，则说明很可能已受到污染。
特点：
①Cl不为植物及细菌所摄取，不被土粒表面所吸附，氯盐溶解度大，不易沉淀析出，是地下水中最稳定的离子；
②Cl含量随着矿化度增长而不断增加，Cl的含量常可用来说明地下水的矿化程度。
2）SO42
中等矿化的地下水中，SO42为主要阴离子。
来源：
①含石膏（CaSO4·2H2O）或其它硫酸盐的沉积岩的溶解；
②硫化物的氧化：
2FeS2+7O2+2H2O→2FeSO4+4H++2SO42
（黄铁矿）
注意：
①由于煤系地层（C–P）常含有很多黄铁矿（硫铁矿），因此流经这类地层的地下水往往以SO42为主；
②金属硫化物矿床附近的地下水中常含有大量的SO42； 4 ③煤的燃烧产生大量SO2，与大气中的水汽结合形成含硫酸的降雨→酸雨，从而使地下水中SO42增加；
④在我国能源消耗中，煤占70%以上，我国每年向大气排放的SO2已达1800104t之多，因此，地下水中SO42的这一来源不容忽视。
３）HCO3
低矿化水的主要阴离子。
来源：
①含碳酸盐的沉积盐（石灰岩、白云岩）与变质岩（大理盐）：
CaCO3+H2O+CO2→2HCO3+Ca2+
MgCO3+H2O+CO2→2HCO3+Mg2+
②岩浆岩与变质岩地区，HCO3主要来源于铝硅酸盐矿物的风化溶解。
４）Na+
高矿化水中的主要阳离子。
来源：
①沉积岩中岩盐及其它钠盐的溶解；
②海水；
③岩浆岩和变质岩地区含钠矿物的风化溶解；
④酸性岩浆岩中大量含钠矿物，在CO2、H2O的参与下，将形成低矿化的以Na+、HCO3为主的地下水。 5 ５）K+
高矿化水中含量较多。
来源与分布特点与Na+相近：
①含钾盐类沉积岩的溶解；
②岩浆岩、变质岩中含钾矿物的风化溶解。
在地壳中K与Na的含量相近，但在地下水中K+的含量比Na+少得多，这是因为：
①K+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）；
②易为植物所摄取。
由于K+含量少，分析比较费事，所以一般将K+归并到Na+中，不另区分。
６）Ca2+
是低矿化水中的主要阳离子。
来源：
①碳酸盐类沉积物及含石膏沉积物的溶解；
②岩浆岩、变质岩中含钙矿物的风化溶解。
７）Mg2+
来源及分布与Ca2+相近：
①含镁的碳酸盐类沉积岩（白云盐、泥灰盐）；
②岩浆岩、变质岩中含镁矿物的风化溶解。
Mg2+在低矿化水中通常含量较Ca2+少。 6 地下水中各种离子的测定方法，参阅《水质分析》的有关书籍。
3．地下水中的其他成分
除主要离子（七大离子）外，地下水中还有其他成分：
1）次要离子：H+、Fe2+、Fe3+、Mn2+、NH4+、OH、NO2、NO3、CO32、SiO32、PO43等；
2）微量组分（元素）：Br、I、F、B、Sr等；
3）胶体成分：Fe(OH)3、Al(OH)3、H2SiO3等；
4）有机体；
5）微生物：如氧化环境中存在：硫细菌、铁细菌；
还原环境中存在：脱硫酸细菌；
在污水中：各种致病细菌。
4．地下水的总矿化度及化学成分表示式
总矿化度（总溶解固体）––––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。
矿化度M––––degree of mineralization；
总溶解固体TDS––––total dissolved solid。
测定：
①一般以105110C时将水蒸干所得的干涸残余物总量来表示矿化度（M）；
②将分析所得阴阳离子含量相加，相加时HCO3只取重 7 量的一半，因为在蒸干时，有近一半的HCO3分解为CO2、H2O而逸失。
总硬度––––水中所含钙离子和镁离子的总量。
地下水水化学成分表示→库尔洛夫式：
将阴阳离子分别标示在横线上。按毫克当量百分数自大到小顺序排列。小于10%的离子不予表示：
横线前依次表示气体成分、特殊成分及矿化度(M)，三者单位均为g/L，横线后以字母t为代号表示以摄氏计的水温。如：
528.276.7143.148.842.32031.0021.02307.02tCaNaSOClMCOSHSiOH
6．3地下水的温度
地壳表层可分为3个带：
阴离子
阳离子 （毫克当量%：大→小排列）
1) 太阳辐射；
2) 地球内部的热流。 地壳表层有2个热源 8 1）变温带：受太阳辐射影响，地温随昼夜与季节变化；
2）常温带：地温接近常数，一般比当地年平均气温高１~2℃；
3）增温带：受地球内部热流的影响，随深度加大地温升高。
地温梯度（）––––是指每增加单位深度时，地温的增值。
单位：℃/100m。
地温梯度的平均值为3℃/100m，一般1.5 ~ 4℃/100m。
地下水的温度受地温控制：
1）变温带地下水：水温有较小的季节性变化；
2）常温带地下水：水温与当地平均气温接近；
3）增温带地下水：随地温梯度的增加而增加，甚至成为热水。
两个公式：
① 利用地温梯度（），概略计算某一深度的地下水水温（T）：
T=t+(Ｈ－h)
式中：t––––年平均气温；
H––––地下水埋深；
h––––常温带深度。
② 利用地下水温（T），推算其大致循环深度（H）：
htTH
6．4地下水化学成分的形成作用
地下水主要来源于大气降水，大气降水的矿化度一般为0.02~0.05g/L，进入含水层后，水与岩土作用，矿化度升高，化学成分发生变化。
1．溶滤作用
溶滤作用––––在水与岩土相互作用下，岩土中一部分物质转入地下水中。
溶滤作用的结果：岩土失去一部分可溶物质；
地下水则补充了新的组分。
影响溶滤作用的因素：
1）岩土中矿物盐类的溶解度： 变温带增温带常温带 9 首先：NaCl迅速转入水中，SiO2很难溶于水中。
2）岩土的空隙：
空隙发育，溶滤作用强，否则弱。
3）水的矿化度：
低矿化水溶解能力强，而高矿化水溶解能力弱。
4）水中CO2、O2等气体成分：
水中CO2含量愈高，溶解碳酸盐及硅酸盐的能力愈强。
水中O2含量愈高，溶解硫化物的能力愈强。
5）水的流动状况：
停滞的地下水，最终将失去溶解能力；
流动的地下水，经常保持强的溶解能力。
地下水的径流与交替强度是决定溶滤作用强度的最活跃、最关键的因素。
随着溶滤作用的进行：
在时间上：
一个地区经受溶滤作用愈强烈，时间愈长，地下水的矿化度愈低，愈是以难溶离子为其主要成分。
在空间上：
气候愈是潮湿多雨，地质构造的开启性愈好，岩层的导水能力愈强，地形切割愈强烈，地下水的径流与交替愈迅速，
氯化物(转入水中)硫酸盐被水带走被水带走主要化学组分主要化学组分(难溶)碳酸盐及硅酸盐 10 地下水的矿化度愈低，难溶离子的相对含量也就愈高。
２．浓缩作用
主要发生在干旱半干旱地区的平原与盆地的低洼处。
当地下水位埋藏较浅时，蒸发强烈，蒸发成为地下水的主要排泄去路。
随着时间的增加，地下水溶液逐渐浓缩，M增大。随着矿化度的上升，溶解度较小的盐类在水中相继达到饱和而沉淀析出，易溶盐类（如NaCl）的离子逐渐成为水中主要成分。
产生浓缩作用的条件：
1）气候：干旱半干旱；
2）地势：低平；
3）地下水位：埋藏浅；
4）排泄区（从别处带来的盐分在排泄区集聚）。
３．脱碳酸作用
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。
Ca2+2HCO3→CO2↑+H2O+CaCO3↓
Mg2+2HCO3→CO2↑+H2O+MgCO3↓
结果： 1）水分排走；
2）盐分保留下来。 蒸发作用→
