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1、第六章 地下水的化学成分及其形成作用6.1 研究地下水化学成分的意义1.水是复杂的水溶液；2.确定地下水的起源与形成。3.各种目的利用地下水对水质有要求；4.是宝贵的液体矿产，需要查明有关组分的富集规律。5.作为找矿的标志。6.作为地下水污染程度的标志。,6.2 地下水的化学特征,元素在地下水中的含量，取决于其在地壳中的含量及其溶解度。元素在地下水中一般以离子、分子或气体状态存在，以离子状态为主。,一、地下水中主要气体成分,主要气体成分：O2、N2、CO2、CH4、H2S等，以前三种为主。,气体成分的意义：1.反映了地下水所处的地球化学环境的特征.O2起源于大气并指示氧化环境。影响地下水中元素
2、的迁移和化学成分的形成。N2的单独存在，可说明地下水起源于大气并处于还原环境.大气中（ArKrXe）/N20.0118。据此可用以判断地下水中N2的起源.H2S、CH4说明处于缺O2的还原环境。一般出现在封闭地质构造的地下水中。若浅部地下水中出现，则是受到了污染。2.增加水溶解盐类的能力，促进某些化学反应.如：CO2可促进碳酸盐类的溶解。,二、地下水中主要离子成分,主要离子共7种：Cl、SO42、HCO3、Na、K、Ca2、Mg2占主要地位离子随矿化度（含盐量）的变化：低矿化水以HCO3及Ca2，Mg2为主；中等矿化水以SO42及Na为主，阳离子也可以是Ca2；高矿化水以Cl及Na为主。,1.
3、Cl（高矿化水的主要阴离子),广泛分布于地下水中.含量变化大，由数mg/l数百g/l。常可用来说明地下水的矿化程度。来源：沉积岩、岩浆岩的溶解；海水；来自火山喷发物的溶滤；人为污染。注意：居民点附近矿化度不高的地下水中如发现Cl含量超过一般情况，则说明已受到污染。,2.SO42（中等矿化水主要的阴离子）,SO42在水中的含量受Ca2的限制，在还原环境中可被还原成H2S。远不如Cl含量高。来源：含石膏或其它硫酸盐沉积物的溶解；天然硫或硫化矿物的氧化 化石燃料的燃烧。煤系地层常含有很多黄铁矿，因此流经这类地层的地下水往往以SO42为主；金属硫化物矿床附近的地下水中常以SO42为主。,3.HCO3（
4、低矿化水的主要阴离子）,分布广泛，但含量一般不超过数百mg/l.除了酸性水外，所有淡水中HCO3均可出现。来源：碳酸盐岩石的溶解：岩浆岩与变质岩地区，铝硅酸盐矿物的风化溶解。,4.Na（高矿化水的主要阳离子）,低矿化水中，Na含量仅数mg/l数十mg/l；高矿化水中，Na含量最高可达数十g/l。来源：沉积岩、岩浆岩和变质岩的溶解；海水；5.K 地下水中K的含量只有Na含量的410。一般将K归并到Na中进行分析，不另区分。如Na（+K）,6.Ca2（低矿化水的主要阳离子）,含量一般不超过数百mg/L 来源：碳酸盐类沉积物及含石膏沉积物的溶解；岩浆岩及变质岩中含钙矿物的风化溶解。7.Mg2 化学性
5、质及来源与Ca2 相近，但地壳组成中Mg2比较少，因此含量通常较Ca2 少。,三、地下水中的其它成分,次要离子：H、Fe2、Fe3、Mn2、NH4、OH、NO3、NO2、CO32等；微量元素：Br、I、F、B、Sr等；胶体：如Fe(OH)3，Al(OH)3和H2SiO2等。有机质微生物,四、地下水主要化学性质（一）酸碱性 1.表示方法：PHlgH+PH7,水呈中性;PH7,水呈碱性2.地下水按PH值分类：,（二）总矿化度（总含盐量、总溶解固体TDS）,1.总矿化度：地下水中所含各种离子、分子及化合物的总量。以g/L表示。2.表示方法：105110时，将水烘干后所得的干涸残余物的总量 按化学分析
6、所得的全部离子、分子及化合物量相加。（其中HCO3含量应取一半）,3.地下水按总矿化度分类：,（三）硬 度,1.硬度：水中Ca2、Mg2含量。2.分类：总硬度：水中所含Ca2、Mg2的总量。暂时硬度：将水加热至沸腾后,由于形成碳酸盐沉淀而从水中析出的那一部分Ca2、Mg2的含量。永久硬度：水煮沸后仍留在水中的Ca2、Mg2含量。碳酸盐硬度:水中与HCO3含量相当的Ca2、Mg2含量.当Ca2+Mg2+HCO3-时,暂时硬度=总硬度.当Ca2+Mg2+HCO3-时,暂时硬度=碳酸盐硬度.,3.表示方法：毫克数（mg/L，以CaCO3计）毫克当量数（meg/L）：一升水中含Ca2、Mg2的毫克当量
7、总数。离子的当量离子量（原子量）/离子价 化合物的当量=化合物分子量/阴（阳）离子价 meg/Lmg/L/离子的当量 德国度（H）：相当于1L水中含10mgCa2或7.2mgMg2的量。1 meg/L2.8 H,4.地下水按硬度分类：,饮用水的适宜硬度一般为4.29 meg/L，即1225H.,（四）侵蚀性,1.碳酸盐侵蚀 CaCO3H2OCO2 Ca22HCO3 平衡CO2 侵蚀性CO2 混凝土固结后，在其表面及内部皆形成CaCO3。当含有侵蚀性CO2的水与混凝土接触时，CaCO3将溶解，从而使混凝土结构遭到破坏。,2.硫酸盐侵蚀（结晶性侵蚀）水中的可溶性离子（Na、K等）的硫酸盐与水泥中的
8、Ca(OH)2及水化铝酸钙发生反应，生成石膏和钙钒石。钙钒石：CaO Al2O3 3CaSO4 32H2O 钙钒石体积约为原水化铝酸钙的2.5倍，从而引起混凝土体积显著增大，结构疏松，遭受破坏。在SO42含量高的水下建筑物中，可选用普通抗硫酸盐水泥或高抗硫酸盐水泥。,3.酸性侵蚀 酸性水中铁置换H的作用称为酸性侵蚀。当PH6.5时，水对铁质材料即有腐蚀作用，可将水泵的使用年限缩短5，PH4时，各种金属设备只要泡上几天或十几天就不能用了。,6.3 地下水的温度,地壳温度分布示意图,增温带 地温梯度r：每增加单位深度时地温的增值。一般以/100m为单位。平均值约为3/100m。通常变化于1.54/
9、100m之间。地下水温度的推算：地下水循环深度的推算：,1.溶滤作用：普遍发生，是主要作用。影响溶滤作用强度的因素：组成岩土的矿物盐类的溶解度。岩土的空隙特征。水的溶解能力。低矿化水溶滤作用强.水中CO2、O2等气体成分的含量。水的流动状况。,6.4 地下水化学成分的形成作用,溶滤作用与纯化学的溶解作用：不同 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。一个地区经受溶滤愈强烈，时间愈长久，地下水的矿化度愈低，愈是以难溶离子为其主要成分。,2.浓缩作用 其结果表现为：水的矿化度增高；改变地下水的化学类型。通常浓缩作用的影响深度不大，主要是通过毛细作用上升到地表而发生的。在十分干旱的
10、气候条件下，埋深达数十米的潜水产生的浓缩作用，主要是汽态的水分子从深部不断上逸而形成的，其蒸发强度是极微弱的。,3.脱碳酸作用 定义：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。发生在温度或压力突变的地方。如深部地下水上升形成的泉，往往在泉口形成钙华；在喀斯特地区溶洞内见到的石钟乳、石笋、石柱等现象，都是由于脱碳酸作用的结果。,4.脱硫酸作用：SO422C2H2O H2S2HCO3 封闭的地质构造，如储油构造，是形成脱硫酸作用的有利环境。油田水中SO42的含量极少甚至没有，而H2S气体含量却很高。,5.阳离子交替吸附作用离子吸附能力取决于：离子价、离子半径
11、。离子价越高，离子半径越大，则吸附能力愈大。H例外。HFe3+Al3+Ca2+Mg2+K+Na+。离子的浓度 浓度大的离子较浓度小的离子易被吸附。交替吸附作用的规模 比表面积（表面积/体积）愈大，交替吸附作用的规模也就愈大。,6.混合作用 化学混合 物理混合7.人类活动对地下水化学成分的影响 消极：人类的工农业生产及日常生活使地下水污染。滨海地区过量开采，引起海水入侵；不合理开采使咸水进入淡含水层；不合理灌溉，造成土地盐渍化。积极：如：兴修水利、修筑渠道，改善地下水质。,6.5 地下水化学成分的基本成因类型,从形成地下水化学成分的基本成因出发，可将地下水分为三个主要成因类型：溶滤水 富含CO2
12、、O2的渗入成因的地下水，溶滤它所流经的岩土而获得其主要化学成分。称溶滤水。其成分受岩性、气候、地貌等因素影响。沉积水 与沉积物大体同时生成的古地下水。其化学成分主要来源于形成沉积物的水体。内生水 源自地球深部层圈的水。,简分析：一般用于地下水普查阶段。以了解区域地下水化学成分的概貌。分析特点：项目少，精度要求低，但要求快而及时。分析项目：物理性质 定量分析：HCO3、SO42、Cl、Ca2、总硬度、PH值。通过计算可求得水中各主要离子含量及总矿化度。定性分析：项目则不固定，较经常的有NO3、NO2、NH4、Fe3、H2S、耗氧量等。,6.6 地下水化学成分分析与资料整理,全分析：在简分析的基
13、础上选择有代表性的水样进行全分析。以较全面地了解地下水化学成分。特点：分析项目较多，要求精度高，并非是将水中的全部成分都加以分析。而是简分析的补充和提高。分析项目：HCO3、SO42、Cl、CO32、NO2、NO3、Ca2、Mg2、K、Na、NH4、Fe2、Fe3、H2S、CO2、耗氧量、PH值及干涸残余物。,专项分析：只分析一个或少数几个成分，分析项目根据具体任务确定。如：在对地下水质作动态观测时，可只选有代表性的离子作定期分析；为判明含水层之间是否有联系时，只需要作个别离子的分析；在为寻找饮用水源进行地下水调查时，需进行水中有毒成分如As（砷）、Pb（铅）、F（氟）等项目的分析。,三、水化
14、学分析资料整理,(一)各种离子浓度单位的换算：离子毫克数表示法：mg/l 离子毫克当量表示法：meq/L 离子毫克当量百分数meq%：某阴（阳）离子meq%,（二）水化学分析结果误差检验,e=（k a）(k+a)100%式中：k 阴离子总含量(meq%);a 阳离子总含量(meq%)。一般要求：全分析e2%,简分析e5%,否则结果不能采用。,(三）水化学成分的库尔洛夫式表示方法特殊成分气体成分总矿化度(M)1.凡是meg10的离子均列入分式。按由大到小的次序在分子的位置上排列阴离子，分母位置上排列阳离子。2.公式前端依次标示特殊成分、气体成分、矿化度(M),单位均为g/L。3.水温t附于公式后
15、端。4.百分含量值放在离子的右下角，至于某些成分，其右下角为原子数所占，则将该原子数移至右上角。,例：根据水分析资料知，某温泉水的总矿化度为3.27g/L，各主要离子成分的毫克当量百分数为：Cl占84.76，SO42占14.34，HCO3占0.78，Na占71.63，Ca2占27.78，Mg2占0.59。H2S的含量达20.8mg/L，游离CO2为31mg/L，H2SiO3含量为700mg/L，水温52，其库尔洛夫表达式为：H2SiO0.73H2S0.021CO0.0312M3.27 t52,（四）舒卡列夫水化学类型分类 1.根据地下水中六种主要离子（K合并于Na中）及矿化度划分。含量大于25%毫克当量的离子参加分类命名。阴离子在前,阳离子在后,含量大的在前,含量小的在后,中间用短横线相连来对地下水化学类型进行命名。共分49种类型,每型用一个阿拉伯数字表示。2.根据矿化度将地下水分为四组：A组为矿化度40g/L。3.各水型的代号在前,矿化度划分的组在后,中间用一短横线相连。如29-B型水。,
