水文地質(zhì)第六章

1、Fundamentals of Hydrogeoloy 水文地質(zhì)學(xué)基礎(chǔ)第6章地下水的化學(xué)成分及其形成作用6.1地下水的化學(xué)成分Company Logo 6.3總礦化度與地下水化學(xué)成分分類6.2地下水化學(xué)成分的形成作用本章內(nèi)容6.0 概述一、地下水化學(xué)成分的特點(diǎn)： 地下水不是純的H2O，而是成分復(fù)雜天然溶液。 水是良好的溶劑，在空隙中運(yùn)移時(shí)，可溶解巖石中的成分。 在自然界水循環(huán)過(guò)程中，地下水與大氣圈、水圈與生物圈同時(shí)發(fā)生著水量和化學(xué)成分的交換。 化學(xué)性質(zhì)：氣體成分、離子成分、膠體物質(zhì)、有機(jī)質(zhì)等。6.0 概述（續(xù)1）二、地下水化學(xué)成分研究的意義 理論上：揭示地下水的形成和起源 地下水的化學(xué)成分是地

2、下水與環(huán)境（自然地理、地質(zhì)背景以及人類活動(dòng)）長(zhǎng)期相互作用的產(chǎn)物。一個(gè)地區(qū)地下水的化學(xué)面貌，反映了該地區(qū)地下水的歷史演變。 研究地下水的化學(xué)成分，可以回溯一個(gè)地區(qū)的水文地質(zhì)歷史，闡明地下水的起源與形成。 實(shí)際應(yīng)用：水質(zhì)評(píng)價(jià) 不同的用水目的在利用地下水時(shí)，對(duì)水的質(zhì)量有一定要求（如：飲用水、鍋爐用水、地下水對(duì)混凝土的侵蝕性等） 三、研究方法： 研究地下水的化學(xué)成分與作用必須與地下水的流動(dòng)條件結(jié)合Company Logo 6.1地下水的化學(xué)成分一、地下水中常見的氣體成分 氧（O2）、氮（N2）、二氧化碳（CO2） 硫化氫（H2S）、甲烷（CH4）， 常見氣體成分與地下水所處環(huán)境和地下水來(lái)源有關(guān) 二、地

3、下水中主要離子成分 地下水中含量多的有七種離子 陰離子： HCO3- ， SO42- ， Cl- 陽(yáng)離子： Ca2+, Mg2+, K+, Na+Company Logo 6.1.1氣體成分地下水中常見的氣體成分 1、氧（oxygen, O2）、氮（nitrogen, N2） 起源：大氣圈，隨降水入滲進(jìn)入含水層中，如富含O2與N2 說(shuō)明地下水是大氣起源的，氮還有生物起源與變質(zhì)起源 環(huán)境：在封閉環(huán)境下，氧被耗盡只剩下N2，指示水是大氣起源且處于封閉環(huán)境 2、硫化氫（H2S）、甲烷（methane, CH4） 這兩種氣體都是在較封閉環(huán)境中，在有機(jī)質(zhì)與微生物參與的生物化學(xué)過(guò)程中形成。還原環(huán)境下： S

4、O4 2- H2S，成煤過(guò)程，煤田水 成油過(guò)程，油氣藏，油田水Company Logo 6.1.1氣體成分（續(xù)1）3、二氧化碳（CO2） 大氣降水中的CO2含量較低，地下水中CO2主要源于 土壤層（入滲過(guò)程溶于水中）：有機(jī)質(zhì)殘骸發(fā)酵產(chǎn)生、植物呼吸作用產(chǎn)生 碳酸鹽巖地層：在深部高溫下，也可變質(zhì)生成CO2 人類活動(dòng)：在化石燃料（煤、石油、天然氣），導(dǎo)致大氣中的CO2增加，（增長(zhǎng)20%） 地下水中CO2增加，水對(duì)碳酸鹽巖的溶解、結(jié)晶巖風(fēng)化溶解能力愈強(qiáng)！Company Logo 6.1.1氣體成分（續(xù)2 ）地下水中氣體成分的意義： 氣體成分指示地下水所處的地球化學(xué)環(huán)境 氧化環(huán)境 oxidation 還

5、原環(huán)境 deoxidation 氣體成分可以增加水對(duì)鹽類的溶解能力 促進(jìn)水巖的化學(xué)反應(yīng)，相互作用Company Logo 6.1.2主要離子成分水中離子成分主要取決于： 元素的豐度（克拉克值)：某元素在地殼化學(xué)成分中的重量百分比； 元素組成的化合物在水中的溶解度 地殼中主要元素有哪些？ 地殼中豐度較高的元素：Si、Al、Fe （地下水中低） 地殼中豐度較低的元素：Cl、S、C （地下水中高） 地下水中主要離子有： Anion 陰離子：HCO-3、SO2-4、Cl- Cation 陽(yáng)離子：Ca2+、Mg2+、K+、Na+ Company Logo 6.1.2主要離子成分（續(xù)1）主要離子構(gòu)成的鹽類

6、溶解度有關(guān)（參見52頁(yè)表6-1）： 碳酸鹽類 硫酸鹽類 氯化物 常見離子在水中的相對(duì)含量與地下水中的總固體溶解物（TDS）或礦化度有關(guān)： 礦化度(g/L) :低(1)中(1-10)高(10-30) 陰 離 子: HCO3-SO42-Cl- 陽(yáng) 離 子: Ca2+Ca2+,Mg2+Na+,K+ 水中陰離子在地下水水流過(guò)程的（分布）變化Company Logo + + + + + Cl- + + + + SO42- + + + + HCO3- 6.1.2主要離子成分（續(xù)2）地下水水流過(guò)程的陰離子變化Company Logo 6.1.2主要離子成分（續(xù)3）低礦化度水中的常見離子： HCO3-，Ca2

7、+，Mg2+，常來(lái)源于沉積鹽巖、巖漿巖、變質(zhì)巖的風(fēng)化溶解 高礦化度水中的常見離子：Cl-,Na+,K+，沉積鹽巖（鈉鹽、鉀鹽）的溶解、變質(zhì)巖風(fēng)化溶解，海水影響，人為污染 中等礦化度的常見離子： SO42-：沉積鹽類溶解、金屬硫化物的氧化、火山噴發(fā) H2S氣體氧化、人類活動(dòng)燃燒煤產(chǎn)生大量SO2，SO2 氧化后形成之，大氣中SO42-過(guò)高時(shí)，降“酸雨” 地下水中主要離子成分來(lái)源Company Logo 6.2地下水化學(xué)成分的形成作用溶濾作用水巖相互作用時(shí)發(fā)生 濃縮作用蒸發(fā)排泄時(shí)發(fā)生 脫碳酸作用在溫度與壓力發(fā)生變化時(shí)產(chǎn)生 脫硫酸作用在還原環(huán)境下發(fā)生：SO42- H2S 陽(yáng)離子交替吸附作用巖土表面吸附

8、的陽(yáng)離子與水中 陽(yáng)離子發(fā)生交換 混合作用 2種不同類型地下水混合時(shí)發(fā)生 人類活動(dòng)的作用影響越來(lái)越大Company Logo 6.2.1溶濾作用1.定義： 水與巖土相互作用下，巖土中某些組分向地下水中轉(zhuǎn)移的過(guò)程。其結(jié)果是：巖土失去部分可溶物質(zhì)，地下水中獲得相應(yīng)的化學(xué)成分使水中TDS。 CaCO3 + H2O + CO2 2HCO3- + Ca2+ (固)(水)(氣) 2.影響因素-（水巖作用）?6.2.1溶濾作用影響因素 巖土- 化學(xué)組分 （如：石灰?guī)r HCO3-Ca水、花崗巖HCO3-Na水) 組分的可溶性 （溶解度、溶解速度） 鹽分溶解度的差異導(dǎo)致易溶先進(jìn)入水中，難溶的后進(jìn)入水中 巖土的空隙

9、性 水- 水的溶解能力（TDS，O2、CO2氣體組分），水的流動(dòng)性 a.水中已溶組分的多少 b.水中某些氣體組分 思考： 通常剛滲入到地下的水，礦化度很低，隨著水在地下含水巖層 的運(yùn)移，不斷有新的鹽份溶解到水中，水中TDS，水的溶解 能力下降，最終水的溶解能力0，溶濾作用是否會(huì)停止？Company Logo 地下水是如何保持它的溶解能力的地下水的流動(dòng)（交替）性： 地下水的徑流速度和交替強(qiáng)度（ V 與 Q ） 停滯與流動(dòng)很緩慢的地下水，溶解能力最終會(huì)降為零，溶濾作用停止。 水如果流動(dòng)速度快，水交替（更新）迅速，CO2，O2不斷被補(bǔ)充，低TDS水不斷更新溶解能力已降低的水 如果某地區(qū)地下水流動(dòng)很快

10、，水交替（循環(huán)）迅速，溶濾作用很強(qiáng)烈，長(zhǎng)期作用下去，地下水水化學(xué)特征如何？ 該地區(qū)地下水中的水質(zhì)-礦化度是高（TDS）？還是低？ 水中以哪種陰、陽(yáng)離子為主？6.2.1溶濾作用結(jié)果長(zhǎng)期、強(qiáng)烈溶濾作用的結(jié)果，地下水以低礦化度的難溶離子為主，HCO3Ca水 或 HCO3Ca Mg 這是由溶濾作用的階段性決定！在由多種鹽類組成的巖石中： 早期，Cl鹽最易溶于水中隨水帶走，巖土貧Cl鹽 繼續(xù)作用，較易溶SO42-鹽類被溶入中隨水帶走，貧SO42-鹽類 持續(xù),（巖土中）只剩較難溶的碳酸鹽類。 因此，分析溶濾作用及其地下水的成分特征： 要從地質(zhì)歷史發(fā)展的眼光（角度）來(lái)理解它是地質(zhì)歷史長(zhǎng)期作用 的結(jié)果 地下水

11、是不斷運(yùn)動(dòng)的溶解的組分會(huì)被帶去（巖土組分變化） 前期溶濾作用溶濾什么組分，水中獲得相應(yīng)組分 后期溶濾作用長(zhǎng)期強(qiáng)烈溶濾作用的結(jié)果是難溶成分的低礦化水 要用地質(zhì)歷史的觀點(diǎn)去考察，去分析與研究問題！Company Logo 6.2.2濃縮作用定義：地下水在蒸發(fā)排泄條件下，水分不斷失去，鹽分相對(duì)濃集，而引起的一系列地下水化學(xué)成分的變化過(guò)程。 濃縮作用（過(guò)程）理想的蒸發(fā)濃縮模式 Company Logo 濃縮作用（過(guò)程）理想模式1.0L水 350mg/L 蒸發(fā)（1） 0.5L 700mg/L 蒸發(fā)（2） 0.25L 1400mg/L 蒸發(fā)（3） 0.125L 2800mg/L0.5L水1.0 L水0.2

12、5L 水6.2.2濃縮作用濃縮作用（過(guò)程）: 水份失去過(guò)程鹽分相對(duì)濃集，化學(xué)成分的變化 （實(shí)際上與上述理想模式是不同的） 地下水在蒸發(fā)過(guò)程中，水分失去還有補(bǔ)充；鹽分積累也有補(bǔ)充。因此，實(shí)際的蒸發(fā)作用可以產(chǎn)生含鹽量很高的地下水(鹵水)或鹽漬化的土地 濃縮作用的結(jié)果：往往形成高礦化度、以易溶離子為主的地下水（Cl-Na+為主） 影響因素與蒸發(fā)排泄的影響因素相同(氣候-地下水位-土層巖性)Company Logo 丘陵 傾斜平原區(qū) 低平原 濃縮作用 水流遲緩 礦化度高、Cl-Na過(guò)渡區(qū) 礦化度中、SO4-MgCa 地下水化學(xué)特征具有分帶性溶濾作用 水交替迅速 礦化度低、HCO3-Ca由于地下水化學(xué)成

13、分形成作用受區(qū)域自然地理與地質(zhì)條件的影響，地下水的化學(xué)特征往往具有一定的分帶性（空間上的）。6.2.3脫碳酸作用（鐘乳石、石筍、泉華） Ca2+(Mg2+) + 2HCO3- CO2+ H2O + CaCO3 結(jié)果：Ca2+Mg2+HCO3-礦化度pH（略有變化）6.2.4脫硫酸作用(還原環(huán)境中脫硫酸細(xì)菌使SO42-還原為H2S） SO42- + 2C + 2H2O H2S+ 2HCO-3 結(jié)果：SO42-；HCO3-，pH；尋找油田的輔助標(biāo)志。6.2.5陽(yáng)離子吸附交替作用定義：巖土顆粒表面往往帶有負(fù)電荷，可以吸附某些陽(yáng)離子。當(dāng)?shù)叵滤c巖土表面接觸時(shí)，地下水中某些陽(yáng)離子會(huì)與被吸附的陽(yáng)離子發(fā)生交

14、換，從而導(dǎo)致地下水的化學(xué)成分發(fā)生變化。 結(jié)果：某種陽(yáng)離子，另一種陽(yáng)離子6.2.6混合作用結(jié)果不一定！6.2.7人為活動(dòng)的作用（影響）（一）廢棄物污染地下水 （二）改變地下水形成條件6.3總礦化度與地下水化學(xué)成分分類 6.3.1地下水化學(xué)成分的分析內(nèi)容 是水質(zhì)評(píng)價(jià)基礎(chǔ) 分為簡(jiǎn)分析和全分析，某些專門性工作進(jìn)行專項(xiàng)分析。 簡(jiǎn)分析：除物理性質(zhì)（色、味、嗅、透明度、懸浮物等） 主要定量分析： HCO-3、SO2-4、Cl-、Ca2+、 總硬度、pH, Mg2+、 K+Na+ 及 礦化度 有時(shí)含專項(xiàng)分析： NO-3，NO-2 ，NH4，F(xiàn)e2+ ， Fe3+， H2S，耗氧量等Company Logo 6

15、.3.1地下水化學(xué)成分的分析內(nèi)容全分析項(xiàng)目較多，要求精度高，通常在簡(jiǎn)分析得基礎(chǔ)上選擇代表性水樣進(jìn)行全分析 一般定量分析：HCO3-,SO42-,Cl-，Ca2+, Mg2+, K+, Na+， NO3-，NO2- ，NH4 + ，F(xiàn)e2+ Fe3+，H2S，CO2, 耗氧量，總硬度，pH, 及干涸殘余物；某些微量元素、有毒組分；研究水的侵蝕性時(shí)需分水的侵蝕性CO2。Company Logo6.3.2礦化度或總固體溶解物 (TDS）礦化度或總固體溶解物 (TDS）（total dissolved solids， total dissolved salt)地下水中各種離子、分子與化合物的總量稱為礦化度 求算方法： 105110溫度下，水樣烘干后的干涸殘余物質(zhì)，單位：g/L, mg/L (ppm) 計(jì)算中，用全分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，陰陽(yáng)離子總和減 1/2 HCO-3含量求算 據(jù)礦化度的水樣分類： 50g/L 淡水微咸水 咸水鹽水鹵水6.3.3水化學(xué)成分的表示方法庫(kù)爾洛夫式分式前：特殊成分、氣體成分、礦化度 M ，單位 (g/L) 分式上下：陰、陽(yáng)離子（毫克當(dāng)量百分?jǐn)?shù)10% 或稱 視毫摩爾百分?jǐn)?shù)） 分式后：水溫（oC) 特點(diǎn)是直觀、表示簡(jiǎn)單也較全面，可以反映水的