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1、第六章 地下水的化学成分及其形成作用,本章内容,61 概 述62 地下水的化学特征63 地下水的温度64 地下水化学成分的形成作用65 地下水化学成分的基本成因类型66 地下水化学成分的分析内容与分类图示,1、地下水不是纯的H2O，而是天然溶液，含有各种组分。2、水是良好的溶剂，在空隙中运移时，可溶解岩石中的成分。在自然界水循环过程中，地下水与大气圈、水圈与生物圈同时发生着水量和化学成分的交换。3、物理性质：温度、颜色、嗅、味、密度、导电性、放射性。4、化学性质：气体成分、离子成分、胶体物质、有机质等。5、水是岩石中元素迁移、分散与富集的载体。研究许多地质作用时都不能不涉及地下水的化学作用。6
2、、不同的用水目的在利用地下水时，对水的质量有一定要求（如：饮用水、锅炉用水、地下水对混凝土的侵蚀性等）研究地下水的化学成分与作用必须与地下水的流动条件结合,61 概 述,1.1.1 地下水的物理性质,一、温度 来源：地温、气温。增温级：每上升1oC所需的深度，（增温率：每深100m升高的温度）各地增温级不同，华北：3343 m；北方山区：50 m；古老结晶岩区：1000 m；近火山区：1 m；一般地区：33 m。由于变化不大，故地下水“冬暖夏凉”二、颜色 天然地下水无色，当含有不同离子就变成不同颜色：Fe3+呈红色（钻孔腐蚀后有此色，山西清徐平泉村泉水）；有机质过多呈黄色；含H2S呈翠绿色；F
3、e2+呈浅蓝绿色；Ca2+、Mg2+多时呈浅蓝色等。由此可以粗略的判断地下水的成分，对地下水分析带来益处和针对性。,三、透明度 分四级：透明、半透明、微透明、不透明。不同级别说明所含杂质不同或因矿物不同，有可能污染所致。四、味 纯水无味，水中的气味来自其中的盐分和气体，如：含 HCO3-时爽口，称甜水;多时呈咸味，NaSO3、MgSO4呈苦味，可引起腹痛，腹泻，大量有机物时也存在“泔水”味，不易饮用。五、嗅 天然水无嗅，含有特殊成分时有嗅味，如、H2S、臭鸡蛋味。六、导电性 纯水不导电，导电性取决于电介质的多少和性质，主要用于电法勘探创造条件，导电性好则电阻率就低。,1.1.1 地下水的物理性
4、质,6.2 地下水的化学成分,地下水中含有各种气体，离子、胶体物质及微生物等，在108种元素中，地下水有90多种。,6.2.1 地下水中主要气体成分 常见的有O2、N2、CO2、CH4、H2S、Rn(氡)、H 3(氚)等，尤以前三种为主。常见气体成分与地下水所处环境和地下水来源有关。研究意义：一方面，气体成分能够说明地下水所处的地球化学环境；另一方面，地下水中的有些气体会增加水溶解盐类的能力，促进某些化学反应。,1、氧（O2）、氮（N2）来源：在大气成分中 含量很高，随降水一起入渗进入地下含水层中。反过来，如果地下水中富含O2与N2 也说明地下水是大气起源。由于 O2活跃，在地下水运动中易发生
5、氧化作用而消耗，因此，大气起源的地下水中，N2 也可能独立存在。此外，氮还有生物起源与变质起源。指示意义：O2含量高指示氧化环境；封闭环境下，氧被耗尽只剩下，则N2为大气起源封闭环境。在大气中，A、Kr、Xe、N2的比例恒定为0.0118。等于此值说明是大气起源，0.0118,说明含有生物起源和变质起源 2、硫化氢H2S来源：在地下水中分部较少，只是在还原环境中存在。地下水中出现H2S，恰好与O2的意义相反。火山喷发的溢出，矿泉水每升中可达数百毫升；同时在水中离解：H2S=H+HS-,H2S与HS-比例决定于水中 PH值，在酸性水中H2S占优势，而碱性环境HS-为主。,指示意义：富含H2S和C
6、H4的地下水，指示封闭的还原环境。如H2S是在有机物与微生物参与的生物化学过程中形成，还原环境下地下水中的 SO42-H2S；在成煤过程中，SO42-在还原作用下产生H2S,使煤田水富含 H2S。硫氢化合物是极不稳定的，天然条件只在还原环境中存在，一旦有地下水出露到地表，就立即发生氧化变质，故呈酸性水。H2S+O2+4HCO3-H2SO4+2H2O+4CO2,3、甲烷CH4 来源：CH4的化学性质不活泼，火山及变质成因的气体中CH4含量很多，在封闭的盆地中地下水常有CH4，是有机物分解而成的，常与油田伴生。甲烷（CH4）是成油和油气藏形成过程的结果，油田水富含甲烷（CH4）。指示意义：富含CH
7、4的地下水，指示封闭的还原环境。浅部生物作用也可形成CH4与深部区别在于伴有重氢类气体。4、二氧化碳（CO2）大气降水中的 含量较低，地下水中CO2主要来源：主要源于土壤层（入渗过程溶于水中）：有机质残骸发酵产生、植物呼吸作用产生 碳酸盐岩地层的脱碳酸作用 深部高温下，变质作用生成CO2 人类活动，在使用化石燃料（煤、石油、天然气）时，大气中的CO2增加 作用：地下水中CO2增加，水对碳酸盐岩的溶解、结晶岩风化溶解的能力愈强！,类别：游离CO2：地下水所有CO2的总称。平衡CO2：与水中HCO2-平衡的那一部分。侵蚀性CO2：当游离CO2多于平衡CO2时的那部分，可与CaCO3作用，使其溶于水
8、 CaCO3+H2O+CO2=2HCO3-+Ca2+工业与生活应用化石燃料（煤、石油、天然气），使大气中人为产生的CO2 明显增加。据统计，19 世纪中叶，大气中CO2 浓度为290ppm，而到1980 年，由于人为影响，CO2 浓度上升至338ppm。目前全世界每年排放的CO2总量达53 108t 之多何妙福等，1991，由此引起了温室效应，使气温上升 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。,6.2.2 地下水中主要离子成分,插入内容：,1、硬度 以Ca2+、Mg2+、Fe2+、Mn 2+、Fe3+、Al3+等，主要以Ca2+、Mg2+，主要以Ca2+、M
9、g2+为主-总硬度 当蒸发时Ca2+与HCO3-反应以碳酸盐形式沉淀下来的钙、镁离子叫暂时硬度；若Ca2+HCO3-则部分Ca2+与SO42+或CL反应不能沉淀下来的那部分钙、镁离子，又称永久硬度；若Ca2+HCO3-则多余的HCO3-为碱度。,2、矿化度 水中化学组分含量的总和称为总矿化度，一般用M表示。溶解于水中的固相物质的总量称为总固溶物，可用TDS来表示，它等于干固残渣的重量。这两者的含义很接近，它俩之间的差别是前者比后者大，其差值为HCO3-含量的一半。因为在水蒸干过程中，重碳酸根含量的一半将转化为CO2气体而逸出。天然水按矿化度或总固溶物的分类见下表。,矿化度与 溶解度：,溶解度：
10、氯盐硫酸盐碳酸盐。随着矿化度增大，钙、镁的碳酸盐沉淀析出 钙的硫酸盐。因此，高矿化水中便以易溶的氯和钠占优势了。,1、来源：沉积岩中所含盐岩或其他氧化物的溶解；火成岩中氯化物的分解；火山喷发物的熔滤；人为污染、生活垃圾、工业污染物；性质：具有较强的迁移能力；不易沉淀；不被胶体吸收，在地壳中 分布0.017%，在矿化水中 占优势，钻探证明在地壳深部大多为高矿化、氯化物水，约占岩石圈上部地下水的98%，固有丰富的。分布：主要分布在高矿化水中，如罗布泊的盐湖、青海湖、海水等。地下水中分布广泛，一般数十克，饮用水标准是250.,2、来源：含石膏（）或其他硫酸的溶解；天然硫或硫化物的氧化分解；（煤层中含
11、有）（黄铁矿）（铁矾）有机物的分解；大气污染；特别是大量 排入空中 城市中的“酸雨”补给地下水性质：在地下水中的迁移能力反次于、能形成溶解度很小的，因此，地下水中的 是受 的限制，是中等矿化水的主要离子。,3、来源：来自含碳酸盐的沉积岩与变质岩（大理岩）；来自岩浆岩地区的硅酸盐风化溶解；（钠长石）（高岭石）（辉长石）,性质：、是难溶水的，当水中存在侵蚀性 时，才能分解。“泉华”、“钙华”既是如此，的多少还与水中的酸碱度有关（即PH值）。,4、阳离子（、）来源：沉积岩及其盐类的溶解；如钠、正长石、斜长石溶解。火成岩或变质岩中矿物成分的风化溶解；从吸附、交替其他离子中进入水体。性质：溶解性：由于、
12、都能形成 盐沉淀，故水中很难超过1。与 的性质接近，都比较活泼，而 易被植物根系吸收，因此在水质分析时大都不分，+为一个参数。,6.2.3 地下水的其他成分1、胶体成分主要指未离解胶团，成分复杂。如、等，有的胶体性质不稳定，易形成次生矿物而沉淀。如：易形成水矾土、叶蜡石沉淀（在泥水中加入白矾、，过一会就会成清水，因胶体吸附泥粒）。胶体矿物主要来源与矿床的风化分解有关，有机胶体在热带、沼泽地带地下水中含量较高，胶体直径大，在水中迁移受到影响。2、有机成分有机成分复杂，主要是生物遗体分解，在地下水中含量一般不变，富集于土壤和沼泽中或湿地中，形成特殊的臭味。大部分有机质为胶体状态，部分成悬浮液。,3
13、、细菌成分 分为病源菌和非病源菌两种。最常见的是痢疾。伤寒等病菌，不易分离鉴定。（如四川某水井，出水量逐渐减少，后查明是因不长期用，细菌把孔隙堵塞，后用氯气消毒。又如山西铝厂，取黄河岸边地下水，长期不消毒，后自来水厂不让，消毒后家里水管反而出红虫等）。除此外还有脱氮硫井菌等，一般适合 PH=77.4。4、其他离子 次要离子：微量元素:Br、I、F、B、Sr 等，是矿泉水的主要成分。,63 地下水的温度,热能来源：一个是太阳的辐射，另一是来自地球内部的热流。地壳表层可分为：变温带、常温带及增温带。变温带是受太阳辐射影响的地表极薄的带，呈现地温的昼夜变化和季节变化。地温的昼夜变化只影响地表以下12
14、m 深。变温带的下限深度一般为1530m。此深度上地温年变化小于0.1。常温带是变温带以下一个厚度极小的。地温一般比当地年平均气温高出12。在粗略计算时，可将当地的多年平均气温作为常温带地温。增温带在常温带以下，地温受地球内热影响，通常随深度加大而有规律地升高。增温带中的地温变化可用地温梯度表示。地温梯度是指每增加单位深度时地温的增值，一般以100m 为单位。,地下水的温度受其赋存与循环处所的地温控制：处于变温带中的浅埋地下水显示微小的水温季节变化。常温带的地下水水温与当地年平均气温很接近，这两带的地下水，常给人以“冬暖夏凉”的感觉。增温带的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
15、汽。如西藏羊八井的钻孔，获得温度为160的热水与蒸汽。已知年平均气温（t）、年常温带深度（h）、地温梯度（r）时，可概略计算某一深度（H）的地下水水温（T），即：地温梯度的平均值约为3100m。通常变化于1.54l00m 之间，但个别新火山活动区可以很高。如西藏羊八井的地温梯度为300100m。,6.4 地下水化学成分形成作用,6.4.1 溶滤作用,6.4.1 溶滤作用影响因素,6.4.1 溶滤作用结果,6.4.2 浓缩作用,6.4.3 脱碳酸作用 水中CO2 的溶解度受环境的温度和压力控制。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
16、用。脱碳酸的结果，地下水中HCO3及Ca2+、Mg2+减少，矿化度降低：深部地下水上升成泉，泉口往往形成钙华，这是脱碳酸作用的结果。温度较高的深层地下水，由于脱碳酸作用使Ca2+、Mg2+从水中析出，阳离子通常以Na+为主。,6.4.4 脱硫酸作用在还原环境中，在微生物（脱硫细菌）作用下，使水中 SO42-还原成 H2S 的过程。SO42-+2C+2H2O H2S+2HCO3-主要发生在深部，结果SO42-减少或耗尽，HCO3-增加，PH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，某些油田水中出现H2S，而SO42-含量很低。这一特征可以作为寻找油田的辅助标志。,6.4
17、.5 阳离子交替吸附作用一定条件下，岩土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的过程。岩土表面按吸附能力：H+Fe3+A13+Ca2+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。颗粒愈细，比表面积愈大，交替吸附作用的规模也就愈大。因此，粘土及粘土岩类最容易发生交替吸附作用，而在致密的结晶岩中，实际上不发生这种作用。,6.4.6 混合作用成分不同的两种水汇合在一起，形成化学成分与原来两者都不相同的地下水的过程。海滨、湖畔或河边，地表水往往混入地下水中；深层地下水补给浅部含水层时，则发生两种地下水的混合。例如，当
18、以SO42-、Na+为主的地下水，与HCO3-、Ca2+为主的水混合时：Na2SO4+Ca(HC03)2 CaSO4+2NaHCO3 形成石膏析出，而后以Na+和HCO3-为主。,6.4.7 人类活动的作用一方面，人类生活与生产活动产生的废弃物污染地下水；另一方面，人为作用大规模地改变了地下水形成条件，从而使地下水化学成分发生变化。工业生产的废气、废水与废渣以及农业上大量使用化肥农药，使天然地下水富集了有害元素;滨海地区过量开采地下水引起海水入侵，不合理的打井采水使咸水运移，使良好水质的淡含水层变咸。干旱半干旱地区不合理地引入地表水灌溉，会使浅层地下水位上升，引起大面积次生盐渍化，并使浅层地下
19、水变咸。原来分布地下咸水的地区，通过挖渠打井，降低地下水位，使原来主要排泄去路由蒸发改为径流排泄，从而逐步使地下水水质淡化。在这些地区，通过引来区外淡的地表水，以合理的方式补给地下水，也可使地下水变淡。,6.5 地下水化学成分的基本成因类型,地球表面（包括海洋）的水是哪里来的？不同领域的学者，目前得出了比较一致的结论：地球上的水圈是原始地壳生成后，氢H2和氧O2随同其它易挥发组分从地球内部层圈逸出而形成的。因此，地下水起源于地球深部层圈。从形成地下水化学成分的基本成分出发，可将地下水分为三个主要成因类型：溶滤水、沉积水和内生水。,E.B.宾捏克尔1980年划分：,6.5.1 溶滤水富含CO2
20、与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的地下水。溶滤水的成分受到岩性、气候、地貌等因素的影响。石灰岩、白云岩分布区的地下水，HCO3-、Ca2+、Mg2+为其主要成分。含石膏的沉积岩区，水中SO42-与Ca2+均较多。酸性岩浆岩地区的地下水，大都为HCO3-Na 型水。基性岩浆岩地区，地下水中常富含Mg2+。煤系地层分布区与金属矿床分布区多形成硫酸盐水。,但不能认为地下水流经什么地层就含什么成分。从大范围来说，溶滤作用主要受控于气候，显示受气候控制的分带性。例如:从盆地边缘洪积扇顶部的低矿化重碳酸盐水带，到过渡地带的中等矿化硫酸盐水，盆地中心则是高矿化的氯化物水。绝
21、大部分地下水属于溶滤水。这不仅包括潜水，也包括大部分承压水。位置较浅或构造开启性好的含水系统，由于其径流途径短，流动相对较快，溶滤作用发育，多形成低矿化的重碳酸盐水。构造较为封闭的，位置较深的含水系统，则形成矿化度较高、易溶离子为主的地下水。同一含水系统的不同部位，由于径流条件与流程长短不同，水交替程度不同，从而出现水平的或垂向的水化学分带。,6.5.2 沉积水沉积水是指与沉积物大体同时生成的古地下水。河、湖、海相的沉积物中的水具有不同的原始成分，在漫长的地质年代中水质又经历一系列复杂的变化。存在于较封闭的环境中，几乎不参与地下水的循环，矿化度较高。随着盆地下降，因受到上覆地层压力，一部分被挤
22、压进入颗粒较粗且不易压密的相邻岩层，构成后生沉积水；另一部分仍保留于淤泥层中，这便是同生沉积水。埋藏在地层中的沉积水，在经历若干时期以后，由于地壳运动而被剥蚀出露地表，或者由于开启性构造断裂使其与外界连通。经过长期入渗淋滤，沉积水有可能完全排走，而为溶滤水所替换。,6.5.3 内生水早在本世纪初，曾把温热地下水看作岩浆分异的产物。后来发现，在大多数情况下，温泉是大气降水渗入到深部加热后重新升到地表形成的。近些年来，某些学者通过对地热系统的热均衡分析得出，仅靠水渗入深部获得的热量无法解释某些高温水的出现，认为应1030的来自地球深部层圈的高热流体的加入。有人认为，深部高矿化卤水的化学成分也显示了
23、内生水的影响。内生水的典型化学特征至今并不完全清楚。内生水的研究迄今还很不成熟，但由于它涉及水文地质学乃至地质学的一系列重大理论问题，因此，今后水文地质学的研究领域将向地球深部层圈扩展，更加重视内生水的研究,6.6 总矿化度与地下水化学成分分类,6.6.1 地下水化学分析内容根据工作的目的和要求不同，分析项目与精度也不相同，一般有三种：简分析、全分析、某些专门性工作进行专项分析。1、简分析：用于了解地下水的概貌，分析项目少，精度低。可以在现场用水质分析箱进行。目是为了初步了解水质是否适于饮用。物理性质：色、味、臭、透明度、导电性等；定量分析：HCO3-、SO42-、Ca2+、Mg2+、总硬度、
24、PH、矿化度；定性分析：NO3-、NO2-、NH+、Fe2+、Fe+3、H2S、SiO2等。,2、全分析：分析项目多，精度高，但所分析的样品相对较少，通常在简分析得基础上选择代表性水样进行全分析。3、专门分析：为了某种专门目的而分析的项目，如矿泉水项目，在全分析的基础上要增加SIO2、放射性等项目。,4、地下水化学分析的结果：离子含量：毫克升，毫克当量升。离子的相对含量：分别用阴、阳离子毫克当量升和毫克当量百分数表示。取阴、阳离子的毫克当量为100，求取各阴、阳离子所占的毫克当量百分比。在进行地下水的化学分析的同时，必须对有关的地表水体取样分析。因为地表水体可能是地下水的补给来源，或者是排泄去
25、路。对于作为地下水主要补给来源的大气降水的化学成分，至今一直很少注意，原因是它所含物质数量很少。但是，必须看到，在某些情况下，不考虑大气降水的成分，就不能正确地阐明地下水化学成分的形成。,6.6.2 矿化度或总固体溶解物(TDS）,6.6.3 水化学成分的表示方法库尔洛夫式,舒夫卡列分类,派珀三线图解,派珀AMPiper三线图解由两个三角形和一个菱形组成（图64）左下角三角形的三条边线分别代表阳离子中Na+K+、Ca2+及Mg2+的毫克当量百分数。右下角三角形表阴离子Cl-、SO42-及HCO3-的毫克当量百分数。任一水样先根据阴、阳离子的相对含量分别在两个三角形表示出来（如图64有标号的圆圈
26、）；再从两个三角形对应的位置向上方的菱形延伸得出交点，交点以圆圈综合表示此水样的阴阳离子相对含量；并按一定比例尺画圆，大小表示水样的矿化度。,落在菱形中不同区域的水样具有不同化学特征：1 区碱土金属离子超过碱金属离子；2 区碱大于碱土；3 区弱酸根超过强酸根；4 区强酸大于弱酸；5 区碳酸盐硬度超过50；6 区非碳酸盐硬度超过50；7 区碱及强酸为主；8 区碱土及弱酸为主；9 区任一对阴阳离子含量均不超过50毫克当量百分数。,本章小结,1、地下水中气体含量较低，但有很重要的指示意义。2、地下水化学成分常见的有七种离子。3、地下水中常见离子的相对含量与地下水的矿化度密切相关，即：高矿化度以易溶离
27、子为主，低矿化度以难溶离子为主。4、溶滤作用是地下水化学成分形成的主要作用，自然界大多地下水为溶滤水。5、除溶滤作用外，其他地下水化学成分的形成作用，需要在一定条件下才能发生。,思考题,1研究地下水中气体成分的意义？根据受热源影响的范围，地球表层可分为哪几个带？各带的特点？2地下水中氧气和氮气来源于哪儿？如何通过地下水中氮气和其它气体的含量来判断地下水是否属于大气起源？3地下水中二氧化碳气体来源于哪儿？4地下水中氯离子的主要来源有哪些？特点？5地下水中硫酸根离子和重碳酸根离子的来源有哪些？6地下水中钠离子和钾离子的来源有哪些？7地下水中钙离子和镁离子的来源有哪些？8地下水中的总溶解固体与各离子
28、含量有什么关系？9简述利用库尔洛夫式反映水的化学特点的方法？10氯化物最易溶解于水中，而为什么多数地下水中检出的是难溶的碳酸盐和硅酸盐成分？,12影响溶滤作用强度的因素有哪些？13产生浓缩作用必须具备哪些条件？14为什么粘土及粘土岩类最容易发生交换吸附作用？15地下水简分析项目、分析项目有哪些？16叙述地下水化学成分舒卡列夫分类的原则?命名方法?及优缺点？17某地地面标高为100m，多年平均气温为10，常温带距地面20m，增温带的地温梯度为4/100m，试计算地面下2000m的地温。18某地多年平均气温为12，常温带距地面20m，在井深为2000m处测得地下水的温度为70，试确定该地区的地温梯度。,
