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第7章 地下水的化学成分及其形成作用

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水文地质学中的地下水化学成分

水文地质学中的地下水化学成分

水文地质学中的地下水化学成分地下水是地下流入的水体，通常在深层岩石或土壤中储存、流动和释放。

水文地质学是研究地下水现象的学科，涉及地球物理、地质学、化学等多个学科领域。

地下水的化学成分是水文地质学中的重要研究内容之一，主要涉及地下水中的溶解物质、离子浓度、pH值等。

地下水化学成分的特征地下水中溶解物质的类型和浓度取决于地下水流经的地质环境和土壤性质等因素。

一般来说，地下水中主要溶解物质包括离子、有机化合物、微生物等。

离子是地下水中主要的化学组成部分，包括阳离子和阴离子两种。

阳离子主要有钠、镁、钙、钾等，阴离子主要有氯离子、碳酸根、硫酸根等。

有机化合物包括有机酸、腐殖物、油等。

微生物包括细菌、病毒等。

此外，地下水中还存在一些较稀有的溶解物质，如硒、铊、铅等，这些元素含量较低，但会对人体健康造成负面影响。

地下水的pH值是另一个重要的化学特性。

pH值是一种表示水平酸碱程度的指标，一般在7左右为中性，小于7为酸性，大于7为碱性。

地下水的pH值通常介于6-8之间，但有时也会出现pH值过低或过高的情况。

例如，在饮用水井中，pH值过低可能会导致腐蚀性物质的浸出，而pH值过高则可能会引起水垢和钙沉积。

地下水的化学成分对环境和人类健康的影响地下水中的溶解物质、离子浓度和pH值都可以对环境和人类健康造成影响。

一些特定的化学物质会影响地下水的颜色、味道和气味，从而影响水的使用。

例如，硫化物可以导致地下水呈现不良气味和深紫色，而铁和锰的存在会使水变得黄色或棕色。

高浓度的硝酸盐和硫酸根则可能导致地下水变得饮用不安全。

此外，高浓度的氟化物会导致骨质疏松和牙齿疾病的发生。

地下水的pH值过低或过高也会对人体健康造成不良影响，如引起胃肠炎、腰痛、关节炎等。

总的来说，地下水化学成分的研究对于确保地下水质量的安全和可持续利用是非常重要的。

水文地质学家们利用现代化学技术进行地下水化学成分分析，以确定地下水资源的使用和保护策略。

只有采取科学的水资源管理和保护措施，才能确保地下水资源的长期稳定和可持续利用。

第7章 地下水的化学成分及其形成作用

第7章 地下水的化学成分及其形成作用
第7章
第1节 概述
地下水的化学成分及其
形成作用
第2节 地下水的化学特征 第3节 地下水的主要物理、化学性质 第4节 地下水化学成分的形成作用 第5节 地下水化学成分的基本成因类型 第6节 地下水化学成分分析及其图示Biblioteka 第1节 概述问题：
1、地下水是否是纯水？
2、除水（H2O）以外，地下水中还哪些成分？它们是如 何形成的？这些成分对人类的生活、生产有何影响？
第3节 地下水的主要物理、化学性质
一、主要的物理性质：
色(color)、嗅(smell)、味(taste)、温度(temperature)、 透明度(diaphaneity, transparency)、比重(specific weight)、 导电性(conductance)、放射性(radioactivity) 二、主要的化学性质： 总溶解固体、硬度、酸碱性 。 两者关系：物理性质往往是化学性质的外在表现。
常温带深度 1－2m，昼夜变化 10－30m，地温年变化只有0.1℃
•常温带：是变温带以下一个极簿的地带。地温一般比当地年
平均气温高出1~2℃，粗略计算时可视为当地的年平均气温。
• 增温带：受地球内部热流控制。随深度增加而温度升高。用
地温梯度或地温增温率表示。
二、主要的化学性质
1、总溶解固体（TDS）（矿化度）
最低含量 mg/l
165
70
135
250
0.15
味道的强弱取决于地下水的温度，常温时不显，若将水加 热到20~30℃时，味道显著。
4、地下水的透明度
一般是透明的，如煤矿矿井水含大量煤屑等悬浮物而呈不透 明或半透明状。
（水的透明度分级表）确定水的透明度：

地下水化学成分

地下水化学成分

（1）氯离子 (Cl-)
★ 氯离子在地下水中广泛分布，但在低矿化 水中一般含量仅数毫克/升到数十毫克/升，高 矿化水中可达数克/升乃至100克/升以上。
离子与矿化度相关系数较高，Na＋为0.91，Cl－0.84
胜利、苏北、酒泉、鄂尔多斯（J）
★ 地下水中Cl-的主要来源
——来自沉积岩中所含岩盐或其它氯化物的溶解； ——来自岩浆岩中含氯矿物[氯磷灰石Ca5(PO4)3Cl、
——大气中的惰性气体(Ar、Kr、Xe)与N2的比例恒定，即： (Ar+Kr+Xe)/N2=0.0118。比值等于此数，说明N2是大气起 源的；小于此数，则表明水中含有生物起源或变质起源 的N2。
（2）硫化氢(H2S)、甲烷(CH4)
——地下水中出现H2S与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。
MgCO3+H2O+CO2→Mg2++2HCO3——Mg2+在低矿化水中含量通常较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 中Mg比Ca少。
3、地下水中的其它成分
——地下水还有一些次要离子，如H+、Fe2+、Fe3+、Mn2+、 NH4+、OH-、NO2-、NO3-、CO32-、SiO32-及PO43-等。 ——地下水中的微量组分，有Br、I、F、B、Sr等。
第七章 地下水化学成分
第一节、概述
1、地下水的化学成分是地下水与环境－自然地理、地质背景 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。研究地下水的化 学成分，可以帮助我们回溯一个地区的水文地质历史，阐明 地下水的起源与形成。 2、水是最为常见的良好溶剂。它溶解岩土的组分，搬运这些 组分，并在某走些情况下将某些组分从水中析出。水是地球 中元素迁移、分散与富集的载体。许多地质过程（岩溶、沉 积、成岩、变质、成矿）都涉及地下水的化学作用。

水文地质学基础--7地下水的化学成分及其形成作用

水文地质学基础--7地下水的化学成分及其形成作用
气体组分 （CO2, O2等） 离子组分（Cl-, SO42-,K+等） 同位素组分（氢、氧、碳同位素） 微量组分（Br、I、F、B、Sr等） 胶体悬浮物（Fe（OH）3、 Al（OH）3 、H2SiO3等 ） 有机质（常使地下水酸度增加，有利于还原作用） 微生物（氧化环境的硫细菌和铁细菌、还原环境的脱硫 酸细菌以及污染水中的致病细菌等）
碳酸盐类 < 硫酸盐类 < 氯化物 常见离子在水中的相对含量与溶解性总固体（TDS）有关
溶解性总固体（g/l）
低（<1)
中(1-10)
高(10-30)
主要离子成分
HCO3-
SO42-
Cl-
Ca2+ 、 Mg2+
Ca2+ 、 Na+
Na+
地下水中主要离子成分来源
Cl- （高矿化水中主要阴离子）：
沉积盐类溶解； 岩浆岩含氯矿物（如氯磷灰石、方钠石）的风化溶解； 海水； 火山喷发物的溶滤； 人为污染。 地下水中最稳定的离子，其含量随TDS升高而增加，常可用来说
7.1 概述
地下水的化学成分是地下水与周围环境长期相互作用的产 物，它是一种重要信息源，是“化石”，研究地下水的化 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。
地下水是地壳中元素迁移、分散与富集的载体，研究成矿 过程中地下水的化学作用，对于阐明成矿机制，完善与丰 富成矿理论有很大意义。
第7章 地下水的化学组分及其演变 （Chemical composition and chemical
actions of G.W.）
7.1 概述 7.2 地下水的化学组分（Chemical
composition of G.W.） 7.3 地下水化学成分的形成作用 （Chemical

水文地质学基础 地下水的化学成分及其形成作用

水文地质学基础 地下水的化学成分及其形成作用

大气降水线：GMWL与LMWL
水文地质过程的识别
87Sr/86Sr识别混合关系
放射性同位素：时钟
在确定地下水年龄上，常采用放射性同位素方法，据放射性 同位素衰变原理，利用同位素衰变方程确定地下水年龄：
同位素浓度
t 1 ln C
地下水的温度
地壳表层的热源：太阳辐射+地球内部的热流。
地壳表层按热量平衡关系分带：
变温带：地温主要受太阳辐射影响的地表极薄的地带。下限15-30 m
常温带：地温基本等于当地平均年气温的地带。通常高出大气年均温度1- 2 oC 增温带：地温主要受地球内热影响的地带。地温梯度为n oC/100m，一般为3 oC/100m， 介于1.5 -4.0 oC/100m之间。西藏羊八井地温梯度为300 oC/100m（地热异常）
TDS很高，可达300 g/L SO42-减少或消失 出现H2S、CH4、铵、氮 pH值增高 钙Ca2+含量相对增加，Na+减少，rNa/rCl < 0.85 富集Br、I，Cl/Br变小
内生水
定义：源自地球深部层圈的地下水，亦即来自地球内部 在岩浆冷却等地质作用下形成的地下水 典型化学特征不明
矿物的溶解度 岩土的空隙特征 水的溶解能力
盐类溶解与温度的关系
浓缩作用
定义：蒸发浓缩作用是地下水通过蒸发排泄而引起水中成分的 浓缩，使水中盐分浓度增大、矿化度增高的现象 必备条件： 干旱半干旱的气候 低平地势控制下的水位埋深小的 地下水排泄区 松散岩土颗粒细小，毛细作用强 具有时间和空间的尺度
在封闭还原环境，有机质与微生物参与的生物化学过程形成
火山喷发 H2S还可来自硫化矿物分解
指示意义： 封闭还原环境 H2S一般出现在深层地下水中，油田水中含量很高，常以此作 为寻找石油的间接标志SO42- → H2S

地下水的物理性质化学成分及其形成作用

地下水的物理性质化学成分及其形成作用

❖ 4、氧的水文地球化学作用 （1）O2决定地下水的氧化还原状态，溶解氧含量
愈多,说明地下水所处的地球化学环境（氧化环境）愈 有利于氧化作用进行。从而影响水中元素的迁移。
如在含氧多的地下水中，Fe形成高价化合物而从水中 沉淀；反之，地下水中含O2少，形成低价态化合物而 易于在水中迁移。
（2）对金属材料具有侵蚀作用。如自来水管的锈蚀。 （3）影响水生动植物的生存。
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。
§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
水温变化范围可达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。
①变温带特征：
❖ 处于受太阳辐射影响的地表极薄的带。 ❖ 由于太阳辐射能的周期变化,本带呈现地温的
昼夜变化和季节变化。 ❖ 地温昼夜变化影响地表以下1-2m深。年变化
影响深度一般为15-30m。
②常温、增温带的特征：
❖ 处于变温带以下一个厚度极小的地带。地温的年变化幅度＜0.1℃的 地带。
❖ 地温一般比当地年平均气温高出1一2℃，可将当地的多年平均气温 作为常温带地温。
地下水的温度主要受当地气温、地温变化的影响，尤其是地温 。
要研究地下水的温度，首先要研究地温的变化规律。
地壳表层有两个热能来源:

地下水的物理性质、化学成分及其形成作用

地下水的物理性质、化学成分及其形成作用
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。

地下水的化学成分

地下水的化学成分
分散规律，确定污染源和扩散途径。
.
5
概述
水文地球化学（Hydro-geo-chemistry），是水文地质 学的一个分支，是专门研究地下水中化学成分的迁移、 聚集与分散的规律，并加以应用的科学。
地下水动力学（Hydro-dynamics），是水文地质学的 另一个分支，专门研究地下水运动规律和水量的学科。
地下水中元素的迁移不能脱离地下水的运动，不能孤 立、静止地研究地下水的化学成分及其形成规律。正 确的观点是：
水文地球化学的研究必须与地下水运动的研究相结合；
必须从水与环境长期相互作用的角度，揭示地下水化学演化 的内在机制与规律。
.
6
地下水的化学特征
地下水中的气体成分：有O2、N2、CO2、CH4及H2S等。 气体成分在水中含量不高，几个~几十个毫克；但有 一定的作用：可指示地下水的化学环境，侵蚀 CO2可 增强地下水的溶解能力。
O2和N2：地下水中的氧气和氮气主要来源于大气降水的入渗。 水中溶解的氧气越多，则越有利于氧化作用的进行。氧气远 比氮气活泼，在封闭环境中，氧将会耗尽只留下氮气，因此 氮气的单独存在说明处于还原环境，地下水起源于大气。另 外，大气中的惰性气体与氮气的比例恒定，等于0.0118，如 果地下水中的比例等于此值，则说明氮气来源于大气。
水是地球中元素迁移、分散与聚集的载体。 水也是许多地质过程的参与者，如岩溶、沉积、成
矿等地质过程中都有地下水的化学作用。
.
4
概述
地下水的利用和防治都需要关注地下水的水质， 主要就是地下水的化学成分。
如饮用水对水质有严格的要求，需要进行水质评价 富含大量盐类或富集稀有元素的水本身就是液体矿床。 具有特殊物理性质和化学成分的地下水具有医疗意义。 控制污染物在地下水中的扩散，需要查明有关污染物的迁移、

地下水化学成分的形成作用

地下水化学成分的形成作用

地下水化学成分的形成作用地下水是指在土壤和岩石间的孔隙中流动的水，其成分受到地质结构、气候、植被、土壤类型等多种因素的影响。

地下水化学成分的形成与这些因素密切相关，下面我们来分析一下它们的作用。

首先，地质结构是地下水化学成分形成的重要因素之一。

不同岩石和土壤中，含有的矿物质种类和含量不同，这些矿物质的溶解度、离子交换能力、化学反应速率等都会影响地下水的化学成分。

例如，含有大量硬度物质的石灰岩地区，地下水中的钙和镁离子浓度较高；而含有大量盐类的沙漠地区，地下水中的钠和氯离子浓度较高。

其次，气候也是影响地下水化学成分的重要因素之一。

气候的干湿、寒暖和降水量等都会影响地下水循环和水文化学过程。

例如，在干燥的气候条件下，地下水很容易蒸发，导致水中溶解的盐类浓度增加；而在多雨的气候条件下，地下水循环强，能更快地从地表流入地下水，从而形成的地下水高度不同，然后散布着不同的化学成分。

第三，植被的类型和密度也会影响地下水的化学成分。

根据植被的不同类型，将直接或间接地吸收更多或更少的水分，降低或增加水中化学成分的浓度。

例如，草原植被可增加碳酸盐的含量，从而影响地下水的PH值；而森林植被能够起到过滤作用，防止有害物质进入到地下水中。

最后，土壤类型也对地下水化学成分的形成起到了重要影响。

土壤的特性决定其在水文学上的特殊能力，从而影响地下水化学成分的多样性。

在不同的土壤中，溶质交换作用不同，而水的化学成分主要是由此生成的。

例如，酸性土壤中的铝和铁离子容易流入地下水中，增加水的a值，改变水的化学组分。

综上所述，地下水化学成分是由地质结构、气候、植被和土壤类型等多种因素共同影响下所形成的。

对此，我们应该注意环境保护，促进人与自然和谐共生，才能维护良好的地下水质量和可持续发展。

水文地质学基础：地下水化学成分的形成作用

水文地质学基础：地下水化学成分的形成作用

二、 浓缩作用
• 定义：当水分蒸发时，盐分仍保留在余下的地下水中，则 其矿化度相对增大，这种作用称为浓缩作用。
• 结果：高矿化度、以易溶离子为主的地下水（Cl-—Na+为主） • 发生条件：
– 干旱或半干旱的气候，地势低平且地下水位埋藏较浅的排泄区，有利 于毛细作用的颗粒细小的松散土层。
– 浓缩作用十分强烈的地区，可以形成矿化度大于300 g／L的地下咸水。
①阳离子被岩土吸附的能力不同：
➢ 阳离子被吸附能力强弱：
H+>Fe3+>Al3+>Ca2+>Mg2+>K+>Na+ （H+是个例外） ➢ 如：
CaSO4 (MgSO4 ) 2Na Na2SO4 Ca2 (Mg 2 )
水
土
水
土
四 、阳离子交替吸附作用-影响因素
② 与地下水中离子浓度有关，某种离子的相对浓度增大， 则该种离子的交替吸附能也随之增大。
– 不产生明显的化学反应
– 高矿化的氯化钠型海水混入低矿化的重碳酸钙镁型地下水，不 产定义：岩土颗粒的表面常带有负电荷， 能够吸附某些阳离子，而将其原来吸 附的阳离子转为地下水中的组分，这 就是为阳离子交替吸附作用。
结果：某种阳离子减少，另一种阳离 子增多
四 、阳离子交替吸附作用-影响因素
地下水化学成分的形成作用
1 溶滤作用 2 浓缩作用
目录
3 脱碳酸作用 4 脱硫酸作用
CONTENTS
5 阳离子交替吸附作用
6 混合作用 7 人类活动的影响
地下水化学成分的形成作用
定义：使地下水化学成分发生变化的各种 作用，称为地下水化学成分的形成作用。

水文地质学基础：地下水化学成分的形成作用

水文地质学基础：地下水化学成分的形成作用

2.3地下水化学成分的形成作用地下水主要来源于大气降水，其次是地表水（河、湖、彻等）。

这些水在进人含水层之前，已经含有某些物质，与岩土接触后再进一步发生各种物理化学及生物作用，使地下水的化学成分发生进一步变化。

使地下水化学成分发生变化的各种作用，称为地下水化学成分的形成作用。

2.3.1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，这就是溶滤作用。

溶滤作用的结果，使岩土土失去一部分可溶物质，地下水则补充了新的组分。

实际上，当矿物岩类与水溶液接触时，同时发生两种方向相反的作用：溶解作用与结晶作用。

溶滤作用的强度，即岩土中的组分转入水中的速率，取决于一系列因素。

首先，取决于组成岩土的矿物盐类的溶解度。

显然，含岩盐沉积物中的NaCl将迅速转入地下水中，而以SiO2为主要成分的石英岩，是很难溶于水的。

其次，岩土的空隙特征是影响溶滤作用的另一因素。

缺乏裂隙的致密基岩，水难以与矿物盐类接触，溶滤作用也便无从发生。

第三，水的溶解能力决定着溶滤作用的强度。

水对某种盐类的溶解能力随该盐类浓度增加而减弱。

某一盐类的浓度达到其溶解度时，水对此盐类便失去了溶解能力。

因此，总的来说低矿化水溶解能力强而高矿化水溶解能力弱。

第四，水中CO2、O2等气体成分的含量决定着某些盐类的溶解能力。

水中CO2含量愈高，溶解碳酸盐及硅酸盐的能力愈强。

水中O2的含量愈高，溶解硫化物的能力愈强。

最后，水的流动状况是影响其溶解能力的一个关键因素。

流动停滞的地下水，随着时间的推移，水中溶解盐类增多，CO2、O2等气体耗失，最终将失去溶解能力，溶滤作用便告终止。

地下水流动迅速时，含有大量CO2和O2的低矿化度的大气降水和地表水，不断入渗更新含水层中原有的溶解能力降低了的水，地下水便经常保持强的溶解能力，岩土中的组分不断向水中转移，溶滤作用便持续地进行。

由此可知，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。

溶滤作用是一种与一定的自然地理与地质环境相联系的历史过程。

水文地质学 地下水的化学成分及其形成作用

水文地质学 地下水的化学成分及其形成作用

未蒸发浓缩前，地下水为低矿化水，随着蒸发浓缩，溶解 度小的钙、镁的重碳酸盐部分析出，S042-及Na+逐渐成为主 要成分。继续浓缩，水中硫酸盐达到饱和并开始析出，便将 形成以C1-、Na+为主的高矿化水。 (3)产生浓缩作用的条件 1）干旱或半干旱的气候； 2）较浅的地下水位埋深； 3）空间上位于地下水流动系统的势汇—排泄处。
二氧化碳(CO2):地下水中的CO2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CO2，并溶入流经土壤的地下水中。 含碳酸盐类的岩石，在深却高温下，也可以变质生成 C02： CaCO3 = CaO+CO2 (9—1) 工业与生活应用化石燃料 ( 煤、石池、天然气 ) ，使大气 中人为产生的C02明显增加。 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。
9.4.3脱碳酸作用
在还原环境中，当有有机质存在时，脱硫酸细菌能使S042还原为H2S： S042-+2C+2H2O—H2S+2HCO3 结果使地下水中 S042- 减少以至消失， 2HCO3- 增加， pH 值变大。 封闭的地质构造，如储油构造，是产生脱硫酸作用的有 利环境。因此，某些油由水中出现H2S，而S042-含量很低。 这一特征可以作为寻找油田的辅助标志。
9.4.5 阳离子交替吸附作用
(1) 阳离子交替吸附作用 岩土颗粒表面带有负电荷，能够吸附阳离子。一定条件下，颗 粒将吸附地下水中某些阳离子，而将其原来吸附的部分阳离子转 为地下水中的组分，这便是阳离子交替吸附作用。 不同的阳离子，其吸附自大而小顺序为： H+>Fe3+>Al3+>Cl>Mg2+>K+>Na+ 。离子价愈高，离子半径愈大，水化离子半径愈 小，则吸附能力愈大。H+则是例外。 当含Ca2+为主的地下水，进入主要吸附有Na+的岩土时，水中 的Ca2+便臵换岩土所吸附的一部分Na+，使地下水中Na+增多而Ca2+ 减小。

水文地质学基础 地下水的化学成分及其形成作用

水文地质学基础 地下水的化学成分及其形成作用
特点
溶解度大，随矿化度增大，含量增大 在水中最为稳定：不为植物和细菌摄取，不被土壤颗粒表面吸附，水
中迁移能力强
硫酸根SO42-
SO42- 的来源
（黄铁矿）
沉积岩盐类、石膏的溶解
金属硫化物的氧化（煤系地层）
火山喷发
人类活动 产生SO2
“酸雨”
SO42- 的特点 • 水中迁移能力很强，但次于Cl-
大气降水线：GMWL与LMWL
水文地质过程的识别
87Sr/86Sr识别混合关系
放射性同位素：时钟
在确定地下水年龄上，常采用放射性同位素方法，据放射性 同位素衰变原理，利用同位素衰变方程确定地下水年龄：
式中：
C0 为补给时放射性同位素浓度（也称输入函数) C为计算时放射性同位素浓度
t 1 ln C
特点：含量通常较Na+低；高TDS水中含量较多 为植物摄取 参与形成不溶于水的次生矿物（水云母、蒙脱石、绢云母等）
来源
Na+
沉积岩中岩盐的溶解（钠盐） 岩浆岩和变质岩的风化溶解 海水
酸性岩浆岩区常形成Na-HCO3型水 水中阳离子以Na+为主时，HCO3-浓度可超过与Ca2+伴生时的上限
何为同位素
Co
不同定年方法适用的时间尺度
放射性同位素也可用于示踪
其它组分
次要离子：包括H+、Fe2+、Fe3+、Mn2+、NH4+、OH-、 NO2-、NO-、CO32-、SiO32-、PO43-等 微量组分：Br、I、F、B、Sr等 胶体：Fe(OH)3、Al(OH)3、H2SiO3 有机质：可增加地下水的酸度，有利于还原 微生物：① 氧化环境：硫细菌、铁细菌等；②还原环境： 脱硫酸细菌等；③ 污染水：致病细菌

地下水的化学成分形成作用

地下水的化学成分形成作用

CaHCO3 2 Na2 SO4 CaSO 4 2 NaHCO 3 – 条件：湖滨、河边等场所，地表水混入地下水；深层地下水补 给浅层地下水，或者相反。都会产生两种不同化学成分的地下 水的混合作用。
2018/11/5
13
地下水化学成分的形成作用
• 人类活动的影响与作用
– 概念：一方面，废弃物污染地下水；另一方面，人为地大范 围地改变地下水的形成条件。从而都使地下水的化学成分发 生变化。 – 结果：两种相反的结果。重要的是利用水文地质及水化学的 知识，使地下水水质向有利的方向发展。
• 补给地下水的大气降水矿化度很低，一般在0.02g/L— 0.05g/L。
• 地下水与岩石的进一步接触，发生一系列化学成分的 形成作用，使地下水的化学成分多样化，矿化度也随 之升高。
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地下水化学成分的形成作用
• 溶滤作用——地下水化学成分最主要的形成作用
– 概念：在地下水与岩土相互接触中和相互作用下， 岩土中的一部分物质转入水中的机制和过程。
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复习思考题
• 地下水化学成分形成作用的概念
– 溶滤作用、机理及其影响因素； – 浓缩作用及其产生的条件； – 脱碳酸作用及其形成机制 – 脱硫酸作用及其形成机制
– 阳离子交替吸附作用及其形成机制
• 地下水化学成分的成因类型； • 溶滤水及其化学特征的影响因素；
• 地下水化学成分的简分析、全分析及二者的区别
2 – 机制： SO4 2C 2H 2O H2 S 2HCO3
– 结果：使地下水中的硫酸根离子减少甚至消失，重碳酸离子增 加，pH值增大。
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地下水化学成分的形成作用

工学水文地质学地下水的化学成分及其形成作用

工学水文地质学地下水的化学成分及其形成作用

HF SO2 Cl2
放射性和核反应来源的气体 He(氦) Rn（氡）
chd-qw
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1.氧和氮
①来源：
主要来自大气，随大气降水和地表水的入渗一起进入地下；也 有生物来源；对氮还有化学来源。
②影响氧含量的因素：
(1)淡水含量高。氧在水中的溶液度较大，在15℃、 101324 .62Pa（一个大气压 ）下，每升蒸馏水可溶解氧 10.06mg（7.04cm3/l）。
§ 5.3.1 主要气体成分
地下水中气体含量尽管很少，但对其研究：
①可以帮助弄清地下水赋存的环境；
②对其它组分的存在影响很大。
地下水中的气体成分：
空气来源 N2 O2 CO2 Ne(氖) Ar（氩）
生物来源 CH4 CO2 N2 H2S H2 O2
化学来源
CO2 H2S H2 CH4 CO N2 HCl
chd-qw
14
一个大气压下，温度与氧含量的关系：
温度℃
氧含量
mg/l
cm3/l
0
14.56
10.19
10
11.25
7.87
15
10.06
7.04
20
9.09
6.36
chd-qw
15
③反映的环境：地下水中氧的多少，表明了地下水
所处的氧化还原的环境。O2较N2活泼的多，当处在封 闭环境中或水源被有机物污染时，由于氧化作用，溶 液氧很快被消耗，当得不到补充时，氧缺少；厌氧细 菌繁殖并活跃起来，有机物质发生腐败作用，使水源 产生臭气。
17
2.H2S
水中的H2S气体具有臭鸡蛋味。 ①来源：主要来自硫酸盐的还原，另外可来
自火山喷发气体的析出。
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3、研究地下水化学成分的意义
第1节 概述
1、地下水是否是纯水？
地下水不是化学纯的 H2O，而是一种成分复杂的溶液。
赋存于岩石圈中的地下水，不断与岩土发生化学反应， 并在与大气圈、水圈和生物圈进行水量交换的同时，交换 化学成分。
2、除水（H2O）以外，地下水中还哪些成分？它们是如何形 成的？这些成分对人类的生活、生产有何影响？ （1）地下水的化学成分是地下水与环境——自然地理、地质 背景以及人类活动——长期相互作用的产物。 （2）水是最为常见的良好溶剂。它溶解岩土体中易溶的组分， 搬运这些组分，并在某些情况下将某些组分从水中析出。水是 地球中元素迁移、分散与富集的载体。许多地质过程（岩溶、 沉积、成岩、变质、成矿）都涉及地下水的化学作用。 （3）地下水含有对人体有害物质，作为饮用水危害人体健康。 地下水具有特殊物理性质与化学成分的水具有医疗意义，对人 体有益。 （4）地下水含大量盐类（如NaCl、KCl）或富集某些稀散元
第 7章
第1节 概述
地下水的化学成分及其
形成作用
第2节 地下水的化学特征 第3节 地下水的主要物理、化学性质 第4节 地下水化学成分的形成作用 第5节 地下水化学成分的基本成因类型 第6节 地下水化学成分分析及其图示
第1节 概述
问题：
1、地下水是否是纯水？
2、除水（H2O）以外，地下水中还哪些成分？它们是如 何形成的？这些成分对人类的生活、生产有何影响？
鉴别特征 无悬浮物、胶体，＞60cm水深见图像 少量悬浮物，30~60cm水深见图像 较多悬浮物，＜30cm水深见图像
大量悬浮物，似乳状，水深很小也看不清图像
5、地下水的比重
取决于水中溶解盐类的数量。溶解的盐类越多，地下水的
比重越大。一般地下水的比重接近于1。利用地下水的比重特征
可以判别盐湖中盐类的沉积层位，便于分层位开采。
第3节 地下水的主要物理、化学性质
一、主要的物理性质：
色(color)、嗅(smell)、味(taste)、温度(temperature)、 透明度(diaphaneity, transparency)、比重(specific weight)、 导电性(conductance)、放射性(radioactivity) 二、主要的化学性质： 总溶解固体、硬度、酸碱性 。 两者关系：物理性质往往是化学性质的外在表现。
（5）揭示地下水的地质作用规律，实现水质找矿
（6）提取化工原料 （7）医疗用水、地方病
第2节 地下水的化学特征
地下水中含有各种气体、离子、胶体物质、有机质以及微生 物等。 组成地壳的87种元素，地下水中已发现70余种。
一、主要的气体成分
常见的有O2、 N2、CO2、CH4 及 H2S 1、 氧（O2）、氮（N2） ——主要来源于大气，以入渗
中的过程。 结果：岩石失去一部分可溶物质，地下水补充了新的组分。 注：溶滤作用并未破坏岩石的完整性，也未破坏矿物的结晶格 架，只是使其中的可溶部分进入水中；溶解作用是指组成矿物 的一切元素按原来的比例全部转入水中，溶解物质的结构完全 被破坏，而溶滤物质结构一部分流失，框架仍在。
溶滤作用具有时间上的阶段性和空间上的差异性。 一个地区经受的溶滤作用愈强烈，地下水的矿化度 愈低，愈是以难溶离子为主要成分。
最低含量 mg/l
165
70
135
250
0.15
味道的强弱取决于地下水的温度，常温时不显，若将水加 热到20~30℃时，味道显著。
4、地下水的透明度
一般是透明的，如煤矿矿井水含大量煤屑等悬浮物而呈不透 明或半透明状。
（水的透明度分级表）确定水的透明度：
级别 透明的 半透明（微浑浊） 微透明（浑浊） 不透明（极浑浊）
水的溶解能力还受温度、pH值、水中共生盐类的影响
温度： 盐类的溶解度随温度的升高而增大，但 NaSO4、CO2、CaCO3、MgCO3溶解度降低。
水的pH值： pH越低，水的溶解能力越大，绝大多 数金属离子只有在酸性地下水中才能存在。随着pH的 增高，金属离子将形成氢氧化物沉淀。如：Fe3+在pH ＞3的水中大量沉淀，当pH ＞6时， Fe2+也将大部分沉 淀。根据pH值的大小便可判断地下水所含的金属离子 及含量大小。 水中的共生盐类：如含有NaCl的水可使CaSO4的溶 解度增大4倍，若水中含MgCl，CaSO4则基本不溶于水。
地下水中所含种离子、分子与化合物的总量。(g/L）
习惯上以105 ℃—110℃时将水干所得的涸残余物总量。 因此（1） 计算时挥发性成分不计入；
（2） HCO3-只取重量的半数 。
最好还是采用直接将化学分析所得全部离子量、分子量及化合物量 相加的方法来计算。
地下水按TDS的分类表
地下水类型 淡水 微咸水 咸水
二、地下水化学成分的形成作用
各种不同来源的地下水，在后期循环过程中，不 断与与周围的介质相互作用，化学成分不断变化，结 果与原始的化学成分具有很大的区别。
作用类型： 溶滤作用、浓缩作用、脱碳酸作用、脱硫 酸作用、阳离子交替吸附作用 、 混合作用。
1、溶滤作用
概念：在水与岩土相互作用下，岩土中一部分物质转入地下水
一、主要的物理性质 1、 地下水颜色与其中物质关系表
水中物 质 硬 水 低价 铁 高价 硫化 硫细 铁 氢 菌 锰 腐殖酸
悬浮物 悬浮物 （碳质等 （粘土等 暗色矿物）浅色矿物）
水的 颜色
浅 蓝
浅绿 灰
黄褐 翠绿 ห้องสมุดไป่ตู้色
暗 红
暗黄、 灰黄
浅灰
浅黄、无 萤光
2、 地下水的气味（嗅）
地下水一般无气味，若含有H2S气体，水有臭鸡蛋气味；含 Fe2+，水有铁锈味，即“墨水味”；含腐殖质，有腐草味或淤泥 臭味。 水中气味强弱与水温有关，常温时不显，若将水加热到 40~60℃时，气味显著。
素（Br、I、B、Sr 等）的地下水是宝贵的工业原料。
3、研究地下水化学成分的意义 阐明地下水的起源、形成与分布规律； 阐明成矿机制，完 善与丰富找矿理论 ；地下水质量评价。 （1）确定饮用水、工农业用水 （2）查明地下水水质污染源 （3）查明地下水的侵蚀能力 （4）确定含水层之间及与地表水间的水力联系
补给为主。 2、硫化氢（H2S）、甲烷（CH4）——主要与微生物参 与的生物化学过程有关。 3、二氧化碳（CO2）——主要来源于土壤，其次降水和 地表水入渗补给。 在含碳酸盐类的岩石，在深部高温下，也可变质生成 CO2。
二、主要离子成分 主要离子成分七种：
Cl-、SO42-、HCO3-、Na+、K+、Ca2+和Mg2+。
总矿化度g/L ＜1 1~3 3 ~ 10
盐水
卤水
10 ~ 50
＞50
2、硬 度

水中Ca2+、Mg2+的总含量。（meq/L—毫克当量/升） 德国度（H0）：
一个德国度相当于1升水中含有 10mgCaO或7.2mgMgO。
1meq硬度 = 2.8 H0 目前新的国标中以CaCO3含量（mg/L）表示。
硬度（meq/L） ＜ 1.5 1.5 ~ 3.0 3.0 ~ 6.0

水的类别 极软水 软水 微硬水
洗衣时肥皂泡沫减少；
锅炉易形成锅垢，或因不均匀 导热引起锅炉爆炸；影响印染、造 纸等工业的质量。 适于作饮用水的硬度为4.2~9 毫克当量/升
硬水 极硬水
6.0 ~ 9.0 ＞ 9.0
3、酸碱度
用氢离子浓度即pH值衡量, 即： pH＝-lg [H+]
三、地下水中的其它成分
1、次要离子：如 H＋、Fe2+、Fe3+、Mn2+、NH4＋、OH-、 NO2-、NO3- 、CO32-、SiO32-及PO43-等。
2、微量组分：Br、I、F、B、Sr等。 3、胶体：Fe（OH）3、A1（OH）3、H2SiO3等。 4、有机质: 常以胶体方式存在于地下水中，常使地下水酸 度增加，并有利于还原作用。 5、微生物：在氧化环境中存在硫细菌、铁细菌等；在还 原环境中存在脱硫酸细菌等；此外，在污染水中，还有各种 致病细菌。
PH <5 5< pH<7 7 7< pH<9 pH>9
第4节 地下水化学成分的形成作用
一、地下水起源化学成分的特点
地下水的化学成分，具有一定的继承补给源的化学成分的特 点。
1、起源于大气降水或凝结水： 补给区附近为矿化度低淡 水，富含O2、N2、CO2及Ar等气体。 2、来源地表水: 与地表水成分相近，近河湖区，富含 HCO3- 、SO42-；近海岸富含Cl-、Na+ 。 3、近海岸降水: Cl-、Na+含量高。 4、古沉积盆地的地下水: 矿化度很高，主要离子为Cl-、 Na+，并含有较多的Br、I 等微量元素，具有古海水的特征，长 期处于封闭的环境中，H2S含量高。
3、地下水的味道
一般淡而无味，若含较多的二氧化碳，水清凉可口；含碳酸
钙、镁的水味美适口，称“甜水”；若含有较多的有机质或腐殖 质，水有腻人的土甜味，不宜饮用；含硫酸钠的水味涩；含氯化
镁、硫酸镁较多的水味苦，且可引起呕吐和腹泻。
地下水所含的盐类及引起味觉的最低含量 盐类 味觉 NaCl 咸 CaSO4 微甜 MgCl2 MgSO4 微苦 微苦 Fe2+ 涩
8、 温度
利用高温热水可以发电、取暖、灌溉，温泉水可用来医治疾 病。
水温的变化是影响水的化学成分、水化学作用的重要因素。 水交替缓慢时温度与地温一致，并取决于：太阳辐射热能、 地球内部热流 。
地壳按热力状态从上而下分为变温带、常温带和增温带。
• 变温带：受太
阳辐射热能影响， 呈昼夜变化与季 节变化。昼夜变 化只影响地表以 下1~2m深度。变 温带的下限为 15~30m。