地下水组分特征.ppt

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1、第二章 地下水组分特征,水文地球化学,第一节 地下水中的大量组分,第一节 地下水中的大量组分,一、氯离子(Cl-)1.迁移性能 Cl-具有很强的迁移性能，其原因有三个方面：(1)不形成难溶化合物；(2)不被胶体所吸附；(3)不被生物所吸附。,第一节 地下水中的大量组分,2.分布规律 地下水中的Cl-含量从几mg/L至100mg/L以上均有，一般随地下水矿化度的增高而增高。在高矿化度水中，Cl-占阴离子首位，形成氯化物水。,第一节 地下水中的大量组分,3.来源(1)有机来源：三废水、化肥、农药、动物及人类的排泄物。(2)无机来源：盐矿、含盐的沉积物、岩浆岩中含Cl矿物、火山喷出物等。(3)大气降

2、水。,第一节 地下水中的大量组分,二、硫酸根(SO42-)1.迁移性能：迁移性能较强，仅次于Cl-，其迁移性能受下列四个因素控制：(1)水中SO42-易与Ca2+、Ba2+、Sr2+等离子形成难溶盐。(2)热带潮湿地区土壤铁、铝胶体吸附SO42-。(3)易被生物吸收，硫是蛋白质的组成部分。(4)细菌硫酸盐还原作用：,第一节 地下水中的大量组分,2.分布规律(1)SO42-含量随地下水矿化度增高而增加，但增加速度明显落后于Cl-。在中等矿化度水中，常成为含量最多的阴离子。(2)在某些特殊情况下，地下水中含量可达到很高，例如硫化矿氧化带中的矿坑水，石膏层岩层地下水。,第一节 地下水中的大量组分,3

3、.来源(1)石膏、硬石膏及含硫酸盐的沉积物；(2)硫化物及天然硫的氧化；(3)火山喷发物中的硫的氧化；(4)大气降水中的SO42-；(5)有机物分解；(6)生活、工业、农业废水。,3.1 地下水中的大量组分,三、HCO3-和CO32-1、碳酸平衡及其与pH值的关系 地下水中的碳酸以三种化合物形态存在：（1）游离碳酸，它以溶解的CO2（aq）或H2CO3 形态存在，习惯上记为“H2CO3”;（2）重碳酸根，即HCO3-;（3）碳酸根，即CO32-。,3.1 地下水中的大量组分,三、HCO3-和CO32-这些组分之间的平衡关系式如下：,3.1 地下水中的大量组分,三、HCO3-和CO32-1、碳酸

4、平衡及其与pH值的关系溶于水中总无机碳：,3.1 地下水中的大量组分,三、HCO3-和CO32-1、碳酸平衡及其与pH值的关系 可以推出pH值与各碳酸组分之间的关系：由这两个关系可求出CO2溶于水后各溶解类型占优势的pH值范围，在25，1atm条件下：pH6.4，占优势；6.4pH10.3，占优势；pH10.3，占优势。,Company Logo,3.1 地下水中的大量组分,三、HCO3-和CO32-1、碳酸平衡及其与pH值的关系 可以推出pH值与各碳酸组分之间的关系：图3-1 三种碳酸随pH值的变化曲线,第一节 地下水中的大量组分,2.分布规律 HCO3-在低矿化度水中居主导地位，在阴离子中

5、占首位。在某些含CO2的水中，含量可达1000mg/L以上；强碱、强酸水中，HCO3-极少见。天然水中CO32-含量一般很低，但在苏打水中可达到很高。,第一节 地下水中的大量组分,(1)影响 HCO3-CO32-迁移的因素 Ca2+的存在，制约着水中HCO3-和CO32-含量，因为易产生CaCO3沉淀。脱碳酸作用：,第一节 地下水中的大量组分,(2)地下水HCO3-和CO32-来源 大气中CO2的溶解；各种碳酸盐类及胶结物的溶解和溶滤；非碳酸盐火成岩的风化作用；深层CO2的加入（幔源CO2，变质CO2）；,第一节 地下水中的大量组分,四、硅酸地下水中的SiO21.地下水中SiO2的存在形式(1

6、)硅酸的形式 地下水中的硅酸有以下几种：H4SiO4（正硅酸），H2SiO3（偏硅酸），H2Si2O5（二偏硅酸），H6Si2O7（焦硅酸），H2SiO3因其形式简单，常以它代表水中的硅酸。,第一节 地下水中的大量组分,(2)地下水中SiO2的存在形式 硅酸的盐是可溶的，但遇到酸（包括碳酸）时，很易析出正硅酸。因此，在大多数的地下水中，SiO2以不离解的H4SiO4形式存在。,第一节 地下水中的大量组分,在强碱性条件下，水中会出现H3SiO4-，H4SiO4和H3SiO4-的比例与pH值的关系如下。同时，H4SiO4也往往会发生聚合，形成硅胶溶液。,第一节 地下水中的大量组分,SiO2在地下水

7、中的存在形式归纳为：在一般的地下水中，SiO2以H4SiO4（单体硅酸）或硅酸钠钾盐的分子分散状态存在，硅胶出现极少。在碱性地下水中，SiO2部分以H4SiO4形式存在，部分以H3SiO4-形式存在，部分以硅胶形式存在。,第一节 地下水中的大量组分,2.地下水中SiO2的沉淀条件(1)与含电解质的水溶液相遇，可使硅酸凝结成含水蛋白石而析出。如Ca2+、Mg2+等的加入，会导致SiO2的沉淀。(2)酸碱条件的变化：一般碱性介质有利于SiO2的溶解、酸性介质不利于SiO2迁移，当碱性介质流经酸性环境时，则会沉淀SiO2。如：硅化木形成即可能与此有关树木腐烂分解，产生有机酸，酸性环境引起水中SiO2

8、的沉淀。,第一节 地下水中的大量组分,(3)水温的变化：温度增高，有利于SiO2在水中的溶解，反之则会导致SiO2的沉淀。如温泉硅质泉华的形成。(4)生物化学作用：硅是很多生命物质的食物，水中SiO2由于细菌参与的生物化学作用，在生物圈往往会大量沉淀下来。如硅藻的作用。,第一节 地下水中的大量组分,3.地下水中SiO2的含量 地下水中SiO2的平均含量为17mg/L，不同类型地下水中，SiO2的含量大致如下：(1)微矿化硅酸、硅酸重碳酸型潜水中的SiO2：SiO2含量一般为5-25mg/L。常占阴离子首位，形成硅酸型水，或硅酸重碳酸型水。(2)低矿化度潜水和浅层承压水中的SiO2：SiO2含量

9、为10-40mg/L，水型为HCO3-型水。,第一节 地下水中的大量组分,(3)弱矿化碱性硅质热水中的SiO2：SiO2含量一般大于40mg/L，以60-100mg/L者居多，硅酸在水中占矿化度的20-40%。庐山温泉，水温72，pH=8.5，SiO2=80mg/L。(4)现代火山和岩浆活动区硅质热水中的SiO2：SiO2含量很高，常达几百mg/L。西藏羊八井15区水温85的水中，SiO2=247.6mg/L。(5)某些pH9以上的强碱性矿泉水中的SiO2：SiO2含量极高，常达几千mg/L。例如美国加州体斯塔山矿泉水，pH=11.6，SiO2=3970mg/L。,第一节 地下水中的大量组分,

10、4.硅酸水与硅质水(1)在阴离子中，HSiO3-占阴离子首位（按摩尔分数计算）的水叫硅酸水。(2)SiO2含量大于50mg/L的水，叫硅质水。(3)硅酸泉：HSiO3-含量大于50mg/L，可作饮料与浴疗。(4)HSiO3-含量大于30mg/L，可作为天然饮料矿泉水，HSiO3-在25-30mg/L，水温为20以上或水同位素年龄大于1年亦可作天然饮料矿泉水。,第一节 地下水中的大量组分,1.地下水中氮的形态,有机氮,五、氮的化合物,第一节 地下水中的大量组分,无机氮,第一节 地下水中的大量组分,(1)有机N的矿化作用（铵化作用）有机N在异养型细菌的作用下转化为无机态的NH4+，此过程在好氧和厌

11、氧条件下都可发生。(2)铵的吸附作用 NH4+随水向下运动过程中，可以被包气带岩土吸附在其表面，属于可逆阳离子交换吸附，这种作用并不产生N的转化。,2.地下水氮的转化过程与机理,第一节 地下水中的大量组分,(3)固N作用（同化作用）NO3-、NO2-、NH4+、N2O和N2通过微生物和植物吸收同化，转化为有机N。(4)硝化作用 在化能自养亚硝化菌和硝化细菌的作用下，NH4+被氧化为亚硝酸盐和硝酸盐。,第一节 地下水中的大量组分,(5)反硝化作用 在缺氧条件下，异养型去氮菌把NO3-、NO2-还原分解为气态氮(N2O和N2)的过程。NO3-NO2-NO N2O N2,3、来源 主要是人为来源，但

12、有些地方为天然来源。人为来源很多，主要是化学肥料、农家肥、生活污水及生活垃圾。地下水污染主要是NO3-污染。4、污染标志 NH4+、NO2-说明地下水近期受污染，而NO3-说明地下水很早以前受到污染或距离污染源较远。,第一节 地下水中的大量组分,六、K+、Na+、Ca2+、Mg2+1.分布规律与迁移性能 Na+：Na+迁移能力强，分布广泛，高矿化度水中Na+占阳离子首位；易被胶体吸附，迁移能力仅次于Cl-；地下水中Na+含量从几mg/L到几百g/L。K+：与Na+近似，但迁移性能较差，因为生物易吸收K+，易形成次生矿物进入晶体的结晶格架（水云母）；,第一节 地下水中的大量组分,Ca2+：在低矿

13、化度水的阳离子中占首位，常见HCO3-Ca型水，天然水中Ca2+1g/L，常见几mg/L-几十mg/L。深层水中Ca2+可达几十g/L，甚至更高，为Cl-Ca型水。Ca2+的迁移受CaSO4+CaCO3的影响。Mg2+：Mg2+与Ca2+相似，但自然界中Mg盐分布不广，故在地下水中Mg2+难占主导地位。,第一节 地下水中的大量组分,2.来源 Na+：含Na+盐的海相沉积物、干旱环境下的陆 相沉积物、以及岩盐矿的溶解。火成岩铝硅酸盐的风化产物。阳离子交换吸附：,第一节 地下水中的大量组分,Ca2+：石灰岩、白云岩和石灰质胶结物的岩石及石膏的溶解：火山岩、变质岩中含钙矿物的风化分解：,第一节 地下

14、水中的大量组分,七、氢离子1.H+与pH值关系 pH=-logH+标准状态，25下，若pH7，即H+10-7mol/L，则为酸性，反之则为碱性。,第一节 地下水中的大量组分,2.中性pH值与温度关系 pH中性点，随温度的增高而降低。pH中=7.47 0 pH中=7 25 pH中=6.63 50 pH中=6.51 60,第一节 地下水中的大量组分,3.影响水中H+浓度(pH值)大小的因素(1)水中不同形态无机碳的含量；(2)酸性土壤枯枝落叶层和沼泽中的腐殖酸是天然水中H+的重要来源。因此，林区潜水呈弱酸性。(3)盐类水解：(4)矿床硫化物氧化,第一节 地下水中的大量组分,(5)微生物作用硝化作用

15、：反硝化作用：(6)酸性气体 CO2、HCl、SO2等气体溶于水。,第一节 地下水中的大量组分,4.地下水分组与pH值关系 地下水pH值：，大部分为6-8.5。,Company Logo,3.1 地下水中的大量组分,八、铁和铝 1、在地下水中的含量 Fe2+：一般水中，含量小于几十mg/L，在pH4的酸性水中可达几十至几百mg/L。Fe3+：以胶体存在，一般含量很小。Al3+：在地下水中含量一般小于1mg/L，但在pH4的酸性水中可达几十mg/L。,Company Logo,3.1 地下水中的大量组分,八、铁和铝 2、Fe、Al的迁移性能(1)Fe是变价元素（Fe2+，Fe3+）Fe2+在酸性

16、环境中迁移能力强。Fe3+迁移性能很弱，当地下水中含足够氧时，Fe3+可以呈胶体状态迁移，此时迁移性能增强。Fe(OH)3胶体：正胶体 负胶体,Company Logo,3.1 地下水中的大量组分,八、铁和铝 2、Fe、Al的迁移性能 Fe(OH)3在地表十分稳定，易形成红褐色蜂窝状的“铁帽”。Fe2+和Fe3+很容易水解，产生Fe(OH)2和Fe(OH)3沉淀;在一定的条件下，Fe2+和Fe3+可相互转化。,Company Logo,3.1 地下水中的大量组分,八、铁和铝 2、Fe、Al的迁移性能(2)Al（非变价元素）迁移性能很差，其氢氧化物产生水解沉淀的pH水=3.1。在强酸性水中（pH

17、4.0），以Al3+形式存在。在碱性水中，形成AlO2-和AlO33-。思考题1、地下水温度为5，pH=7。请问水是酸性还是碱性？酸性,水文地球化学地下水中的无机化学成分,第二节 地下水中的微量组分,第二节 地下水中的微量组分,一、溴(Br)1.分布特征 溴的化合物极易溶解，在一般地下水中含量为，在矿泉水中的含量较高0-50mg/L。某些盐湖水中可达900mg/L，在某些石油产地的卤水中含量最高，达到100-9800mg/L.。Br和Cl一样随水的矿化度增加而增加，但在成盐过程中，Br和Cl分离，Cl进入固相，而Br仍留在水中，主要原因是Br化合物的溶解度比Cl化物的溶解度大。,第二节 地下水

18、中的微量组分,2.影响Br在地下水中富集的因素(1)有机物同化；(2)被软泥、有机物、泥炭等吸附。3.Br的来源：岩石中分散的Br和海洋中的Br是地下水中Br的主要来源。4.与人体健康关系 含Br的水具有工业开采价值，适量的Br(0.2-1mg/L)具有镇静、调节中枢神经的作用，过量会导致智力减退，神经混乱。,第二节 地下水中的微量组分,二、碘(I)1.分布特征(1)碘在地下水中的含量比Br还少，一般ppb级；(2)海水中碘的含量为0.05mg/L；(3)盐湖的卤水中不含I；(4)在油田地下水中，I含量可达30-600mg/L；在含油构造上的沙漠地区盐土中富含I，可作为寻找石油的标志。,第二节

19、 地下水中的微量组分,2.地球化学特点(1)自然界中碘矿物极少见；(2)与生命物质密切相关，可富集于动植物中；(3)强还原环境有利于在地下水中富集；(4)呈分散状态。,第二节 地下水中的微量组分,3.来源(1)有机质吸附的I；(2)岩石分散状态的I；(3)大气降水。4.与人体健康关系 缺碘：造成甲状腺肿大，发育停滞、痴呆。（治疗：含碘盐，海带）过量：甲状腺中毒、克汀病。,第二节 地下水中的微量组分,三、氟(F)1.分布特征(1)一般水中F的含量为；(2)海水中F的含量为1mg/L；(3)温泉水中F含量较高。如江西温泉水F的含量大于2mg/L，如奉新九仙汤温泉F的含量为11mg/L；(4)盐湖卤

20、水中F的含量为；(5)活火山区热泉中F的含量极高。如新西兰普兰蒂海湾白岛火山上热泉F的含量高达806mg/L。,第二节 地下水中的微量组分,2.来源 含氟矿物（氟磷灰石、电气石、萤石、氟云母）、火山活动区水中氟含量高。3.影响F迁移的因素(1)水中Ca2+，易形成难溶的CaF2沉淀；(2)生物积聚，F和I、Br相似，可被有机物吸附。,水文地球化学地下水中的无机化学成分,第三节 地下水中的气体组分,第三节 地下水中的气体组分,一、氧(O2)1.氧的溶解度 溶解于水中的氧称为“溶解氧”，氧在水中有比较大的溶解度，与水的矿化度、埋藏条件、温度、大气压力、空气中氧的分压有关。,第三节 地下水中的气体组

21、分,2.含量分布特征(1)地下水中溶解氧的含量一般在0-15mg/l；(2)缺氧环境各地深度不一，主要取决于地下水与大气的隔绝程度；(3)地下水中溶解氧的含量随深度增加而减少；(4)温度升高，溶解氧含量降低（035，溶解氧浓度从14.74mg/L降低到7.03mg/L）；(5)大气压升高，溶解氧含量增加。,第三节 地下水中的气体组分,3.氧的来源(1)氧在干燥空气中的含量为20.95%，水体中的大部分单质氧可以来自大气，因此水体与大气接触再复氧的能力是水体的一个重要特征;(2)水生植物光合作用释放氧，但这个过程仅限于白天;6CO2+6H2O C6H12O6+6O2 水中氧的输出部分包括有机物的

22、氧化、有机体的呼吸和生物残骸的发酵腐烂作用等。,第三节 地下水中的气体组分,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，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。如自来水管锈蚀。(3)影响水生动植物的生存。,第三节 地下水中的气体组分,二、氮(N2)1.来源 主要来自大气，N2占大气的78%。在封闭缺氧的地质构造，由于去硝化作用将NO3-和NO2-转为N2。,第三节 地下水中的气体组分,2.分布特征(1)由于N2的化学性质不及氧活泼，它的分布随深度的减少，不

23、及O2明显。(2)若地下水中Ar/N2比值为0.0118（氩占大气体积的0.93%），则表明水中N起源于大气，若Ar/N20.0118，则表明水中含生物起源或变质起源的N。,第三节 地下水中的气体组分,三、硫化氢(H2S)1.来源(1)有机物来源：含硫蛋白质厌氧分解。(2)无机来源：缺氧条件下，脱硫酸作用使硫酸盐还原分解而产生H2S；火山喷发气体的析出，自然界最多的H2S来自火山喷发。硫化氢不稳定，只有缺氧条件下才能存在，一旦受到扰动，就会发生氧化或从水中溢出。所以天然水中的硫化氢一般出现在地下水中。,第三节 地下水中的气体组分,2.分布特征(1)一般地下水中含量很少，多在1mg/L以下。(2

24、)在油田地下水及现代火山活动区地下水中，H2S含量较高，可达几百mg/L-几十g/L，H2S的存在说明地下水处于还原环境。3.与人体健康关系 H2S2mg/L以上的地下水，称为H2S矿水，H2S矿水可治疗多种外伤及皮肤病。,第三节 地下水中的气体组分,4.地下水中H2S的存在形式 天然水中，H2S以溶解气体及硫氢酸的离解形式存在：,第三节 地下水中的气体组分,(1)pH7.5，呈HS-形式存在；，H2S、HS-各占一部分。H2S和HS-的分布分数随pH变化的曲线？,第三节 地下水中的气体组分,四、二氧化碳(CO2)1.基本概念(1)游离CO2：溶解于水中的CO2的统称。(2)平衡CO2：与HC

25、O3-平衡的CO2。(3)侵蚀性CO2：当水中的游离CO2浓度大于平衡CO2浓度时，多余部分的CO2对碳酸盐岩和金属构件具有侵蚀性，这部分CO2即为侵蚀性CO2。,第三节 地下水中的气体组分,2.来源(1)空气中的CO2；(2)土壤生物化学作用（植物呼吸、有机物分解是浅层地下水中CO2的主要来源。(3)深部地壳中发生各种变质作用产生的CO2；(4)幔源碳逸出的CO2；(5)岩浆分异作用产生的CO2。,第三节 地下水中的气体组分,3.分布特征(1)一般地下水中游离CO2为15-40mg/L，很少超过150mg/L。(2)矿泉水中CO2含量很高，几百mg/L至几十g/L.如：江西寻乌温泉CO2含量为1193mg/L。(3)现代火山活动区，地下水中CO2含量为500-10000mg/L。,第三节 地下水中的气体组分,五、甲烷(CH4)CH4是最简单的有机物，它可由有机质的各种生物化学作用产生。一般地下水中含量不高，只有在封闭的还原环境的地下水中达到较高含量。石油及卤水中CH4含量很高：四川某卤水开采区，井下4500m以下的地下卤水中，10%为CH4气体。当地下水中有硫酸盐时，甲烷能促使还原而产生H2S气体，甲烷是强还原环境标志之一。,