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1、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。,第一节、概述,3、地下水中化学元素迁移、聚集与分散的规律，是水文地质学的分支水文地球化学的研究内容。地下水中元素迁移不能脱离水的流动，因此水文地球化学的研究必须与地下水
2、运动的研究紧密结合。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；因此，不能从纯化学角度，孤立、静止地研究地下水的化学成分及其形成，而必须从水与环境长期相互作用的角度出发，去揭示地下水化学演变的内在依据与规律。,第二节、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。1、地下水中主要气体成分地下水中常见的气体成分有O2、N2、CO2、CH4、及H2S等，尤以前三种为主。通常情况下，地下水中气体含量不高，每公升水中只有 几毫克到几十毫克。地下水中的气体成分很有意义。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
3、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)地下水中氧气和氮气主要来源于大气。它们随同大气降水及地表水补给地下水，因此，以入渗补给为主、与大气圈关系密切的地下水中含O2及N2较多。溶解氧含量愈多，说明地下水所处的地球化学环境愈有利于氧化作用进行。O2的化学性质远较N2为活泼，在较封闭的环境中，O2将耗尽而只留下N2。因此，N2的单独存在，通常可说明地下水起源于大气并处于还原环境。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
4、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。这两种气体的生成，均在与大气比较隔绝的环境中，有有机物存在，微生物参与的生物化学过程有关。其中，H2S是SO42-的还原产物。,(3)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。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
5、增加。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晶岩进行风化作用的能力便愈强。,地下水中分布最广、含量较多的离子共七种，即：氯离子(Cl-)、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+)。构成这些离子的元素，或是地壳中含量较高，且较易溶于水的(如O2、Ca、Mg、Na、K)，或是地壳中含量虽不很大，但极易溶于水的（Cl、以SO42-形式出现的S）。Si、Al、Fe等元素，虽然地壳中含量很大，但由于其难溶于水，地下水中含量通常不大。,2、地下水中主要离子成分,一般情况下，随着总矿化度（
6、总溶解固体）的变化，地下水中占主要地位的离子成分也随之发生变化。低矿化水中常以HCO3-及Ca2+、Mg2+为主；高矿化水则以Cl-及Na+为主；中等矿化的地下水中，阴离子常以SO42-为主，主要阳离子则可以是Na+，也可以是Ca2+。地下水的矿化度与离子成分间之所以往往具有这种对应关系，一个主要原因是水中盐类的溶解度不同。,（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，Cl0.84,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
7、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、方钠石NaAlSiO4NaCl的风化溶解；来自海水：海水补给地下水，或者来自海面的风 将细沫状的海水带到陆地，使地下水中Cl-增多；来自火山喷发物的溶滤；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离的地下水中，如发现Cl-的含量超过寻常，则说明很可能已受 到污染。,氯离子不为植物及细菌所摄取，不被土粒表面吸附，氯盐溶解度大，不易沉淀析出，是地下水中最稳定的离子。它的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)硫酸根离子(SO42-)在高矿化水中，硫酸
8、根离子的含量仅次于Cl-，可达数克/升个别达数十克/升；在低矿化水中，一般含量仅数毫克/升到数百毫克/升；中等矿化的水中，SO42-常成为含量最多的阴离子。,地下水中SO42-的主要来源地下水中的SO42-来自含石膏(CaSO42H2O)或其它硫酸盐的沉积岩的溶解。硫化物的氧化，则使本来难溶于水的S以SO42-形式大量进入水中。例如：2FeS2+7O2+2H2O2FeSO4+4H+2SO42-(6-2)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也常含有大量SO42-。化石燃料的燃烧给大气提供了人为作用产生的SO2与氮氧化合物（每年22.5
9、108t），氧化并吸收水分后构成富含硫酸及硝酸的降水“酸雨”，从而使地下水中SO42-增加。,由于CaSO4的溶解度较小，限制了SO42-在水中的含量，所以，地下水中的SO42-远不如Cl-来得稳定，最高含量也远低于Cl-。,（3）重碳酸根离子(HCO3-),地下水中HCO3-的含量一般不超过数百毫克/升，HCO3-几乎总是低矿化水的主要阴离子成分。,地下水中的重碳酸的来源：来自含碳酸盐的沉积岩与变质岩（如大理岩）：CaCO3+H2O+CO22HCO3-+Ca2+(6-3)MgCO3+H2O+CO22HCO3-+Mg2+(6-4)CaCO3 和MgCO3是难溶于水的，当水中有CO2存在时，方有
10、一定数量溶解于水，水中HCO3-的含量取决于与CO2含量的平衡关系。岩浆岩与变质岩地区，HCO3-主要来自铝硅酸盐矿物(钠长石和钙长石)的风化溶解，如：Na2Al2Si6O16+2CO2+3H2O2HCO3-+2Na+H4Al2Si2O9+4SiO2CaO2Al2O34SiO2+2CO2+5H2O2HCO3-+Ca2+2H4Al2Si2O9,（4）钠离子(Na+)钠离子在低矿化水中的含量一般很低，仅数毫克/升到数十毫克/升，但在高矿化水中则是主要的阳离子，其含量最高可达数十克/升。Na+来自沉积岩中岩盐及其它钠盐的溶解，还可来自海水。在岩浆岩和变质岩地区，则来自含钠矿物的风化溶解。酸性岩浆岩中
11、有大量含钠矿物，如钠长石；因此，在CO2和H2O的参与下，将形成低矿化的以Na+及HCO3-为主的地下水。由于Na2CO3的溶解度比较大，故当阳离子以Na+为主时，水中HCO3-的含量可超过与Ca2+伴生时的上限。,（5）钾离子(K+)钾离子的来源以及在地下水中的分布特点，与钠相近。它来自含钾盐类沉积岩的溶解，以及岩浆岩、变质岩中含钾矿物的风化溶解。在低矿化水中含量甚微，而在高矿化水中较多。虽然在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；这是因为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），并易为植物所摄取。由于K+的性质与Na
12、+相近，含量少，分析比较费事，所以，一般情况下，将K+归并到Na+中，不另区分。,（6）钙离子(Ca2+)钙是低矿化地下水中的主要阳离子，其含量一般不超过数百毫克/升。在高矿化水中，由于阴离子主要是Cl-，而CaCl2的溶解度相当大，故Ca2+的绝对含量显著增大，但通常仍远低于Na+。矿化度格外高的水，钙也可成为主要离子。地下水中的Ca2+来源于碳酸盐类沉积物及含石膏沉积物的溶解，以及岩浆岩、变质岩中含钙矿物的风化溶解。,（7）镁离子(Mg2+)镁的来源及其在地下水中的分布与钙相近。来源于含镁的碳酸盐类沉积（白云岩、泥灰岩），此外，还来自岩浆岩、变质岩中含镁矿物的风化溶解，如：(MgFe)2S
13、iO4+2H2O+2CO2MgCO3+FeCO3+Si(OH)4 MgCO3+H2O+CO2Mg2+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。地下水中以未离解的化合物构成的胶体，主要有Fe(OH)3、Al(OH)3及H2SiO3等，有时可占到相当比例。有机质也经常以胶体方式存在于地下水中。有机质的存在，常使
14、地下水酸度增加，并有利于还原作用。地下水中还存在各种微生物。例如，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。,4、地下水的总矿化度及化学成分表示式,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），以每公升中所含克数（g/L）表示。习惯上以105110时将水蒸干所得的干涸残余物总量来表征总矿化度。也可以将分析所得阴阳离子含量相加，求得理论干涸残余物值。因为在蒸干时有将近一半的HCO3-分解生成CO2及H2O而逸失。所以，阴阳离子相加时，HCO3-只取重量的半数。,为了简明地反映水的化学特点，可采用库尔洛夫式表示。将阴阳
15、离子分别标示在横线上下，按毫克当量百分数自大而小顺序排列，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（以字母M为代号），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：H2SiO0.073H2S0.021CO20.031M3.2 t052,第三节、地下水的温度,地壳表面有两个热能来源：一个是太阳的辐射，另一是来自地球内部的热流。根据受热源影响的情况，地壳表层可分为变湿带、常温带及增温带。地下水的温度受其赋存与循环处所的地温控制。地温梯度的平均值约为3/100m。通常变化于1.5-4/100m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300/100m。,
