地下水概論第6部分 地下水的化學成分及其形成作用

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水文地質學第六部分地下水的化學成分

及其形成作用CompanyLogo

6.3總礦化度與地下水化學成分分類6.2地下水化學成分的形成作用本章內容

6.1地下水的化學成分CompanyLogo第六章地下水的化學成分及其形成作用

地下水不是純的H2O，而是天然溶液，含有各種組分。水是良好的溶劑，在空隙中運移時，可溶解巖石中的成分。在自然界水循環(huán)過程中，地下水與大氣圈、水圈與生物圈同時發(fā)生著水量和化學成分的交換。物理性質：溫度、顏色、嗅、味、密度、導電性、放射性?；瘜W性質：氣體成分、離子成分、膠體物質、有機質等。水是巖石中元素遷移、分散與富集的載體。研究許多地質作用時都不能不涉及地下水的化學作用。不同的用水目的在利用地下水時，對水的質量有一定要求（如：飲用水、鍋爐用水、地下水對混凝土的侵蝕性等）研究地下水的化學成分與作用必須與地下水的流動條件結合CompanyLogo6.1

地下水的化學成分

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)境和地下水來源有關二、地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：HCO-3

，SO2-4

，Cl-

陽離子：Ca2+,Mg2+,K+,Na+

CompanyLogo6.1.1

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入含水層中，如富含O2與N2——說明地下水是大氣起源的，氮還有生物起源與變質起源環(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，在有機質與微生物參與的生物化學過程中形成。還原環(huán)境下：SO2-4→H2S，成煤過程，煤田水成油過程，油氣藏，油田水CompanyLogo6.1.1

氣體成分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（入滲過程溶于水中）：有機質殘骸發(fā)酵產生、植物呼吸作用產生碳酸鹽巖地層：在深部高溫下，也可變質生成CO2

人類活動：在化石燃料（煤、石油、天然氣），導致大氣中的CO2增加，（增長20%）

地下水中CO2增加，水對碳酸鹽巖的溶解、結晶巖風化溶解能力愈強！CompanyLogo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環(huán)境

氧化環(huán)境—oxidation

還原環(huán)境—deoxidation

氣體成分—可以增加水對鹽類的溶解能力

促進水→巖的化學反應，相互作用

6.1.1

氣體成分——研究意義CompanyLogo6.1.2

主要離子成分地下水中的主要離子成分

水中離子成分主要取決于：①元素的豐度（克拉克值)：某元素在地殼化學成分中的重量百分比；②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

陽離子：Ca2+、Mg2+、K+、Na+

CompanyLogo6.1.2

主要離子成分這與主要離子構成的鹽類溶解度有關（參見52頁表6-1）：碳酸鹽類<硫酸鹽類<氯化物常見離子在水中的相對含量與地下水中的總固體溶解物（TDS）——或礦化度有關：礦化度(g/L):低(<1)中(1-10)高(10-30)陰離子:HCO-3 SO2-4

Cl-

陽離子:Ca2+ Ca2+,Mg2+

Na+,K+

水中陰離子在地下水水流過程的（分布）變化鹽類溶解度鹽類溶解度NaClKClMgCl2CaCl2Na2S04350290558.1731.950MgSO4CaS04Na2C03MgC032701.9193.9O.1CompanyLogo+

++

+++

++++

Cl-

+

++

+++

++SO42-

+

++

+++

+

HCO3-

地下水水流過程的陰離子變化CompanyLogo6.1.2

主要離子成分低礦化度水中的常見離子：HCO-3，Ca2+，Mg2+，常來源與沉積鹽巖、巖漿巖、變質巖的風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、變質巖風化溶解，海水影響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—燃燒煤產生大量SO2，SO2氧化后形成之，大氣中SO2-4過高時，降“酸雨”

地下水中主要離子成分來源(自學P52-53）CompanyLogo6.2地下水化學成分形成作用溶濾作用—水巖相互作用時發(fā)生

濃縮作用—蒸發(fā)排泄時發(fā)生脫碳酸作用—在溫度與壓力發(fā)生變化時發(fā)生

脫硫酸作用—在還原環(huán)境下發(fā)生：SO42-→H2S↑

陰離子交替吸附作用—巖土表面吸附的陽離子與水中陽離子發(fā)生交換混合作用—

2種不同類型地下水混合時發(fā)生

人類活動的作用——影響越來越大CompanyLogo6.2.1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移的過程。其結果是：巖土失去部分可溶物質，地下水中獲得相應的化學成分使水中TDS↑。CaCO3+H2O+CO2→2HCO-3+Ca2+

(固)(水)(氣)2.影響因素--（水巖作用）?

CompanyLogo6.2.1溶濾作用——影響因素

(1)巖土--化學組分（如：石灰?guī)rHCO3-Ca水、花崗巖HCO3-Na水)組分的可溶性（溶解度、溶解速度）巖土的空隙特征鹽分溶解度的差異導致易溶先進入水中，難溶的后進入水中

(2)水---水的溶解能力（TDS，O2、CO2氣體組分）水的流動性a.水中已溶組分的多少—水中鹽份含量增高，溶解能力降低b.水中某些氣體組分--O2—增加硫化物的…，CO2—增加碳酸鹽類...

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，溶濾作用將會停止？是否會？CompanyLogo地下水是如何保持它的溶解能力的？

(3)地下水的流動（交替）性：

地下水的徑流速度和交替強度（V與Q）停滯與流動很緩慢的地下水，溶解能力最終會降為零，溶濾作用停止。水如果流動速度快，水交替（更新）迅速，CO2，O2不斷被補充，低TDS水不斷更新—溶解能力已降低的水如果某地區(qū)地下水流動很快，水交替（循環(huán)）迅速，溶濾作用很強烈，長期作用下去，地下水水化學特征如何？該地區(qū)地下水中的水質--礦化度是高（TDS）？還是低？水中以哪種陰、陽離子為主？應注意的問題：（1）不應將溶濾作用等同于純化學的溶解作用。溶濾作用乃是一種與一定的自然地理與地質環(huán)境相聯系的歷史過程。（2）溶濾作用長期持續(xù)，巖層中保留下來的幾乎只是難溶的碳酸鹽及硅酸鹽，地下水的化學成分以碳酸鹽及硅酸鹽為主。（3）溶濾作用顯示出空間上的差異性。氣候愈是潮濕多雨，地質構造的開啟性愈好，巖層的導水能力愈強，地形切割愈強烈，地下徑流與水交替愈迅速，巖層經受的溶濾便愈充分，保留的易溶鹽類便愈貧乏，地下水的礦化度愈低，難溶離子的相對含量也就愈高。CompanyLogo長期、強烈溶濾作用的結果，地下水以低礦化度的難溶離子為主，HCO3—Ca水或HCO3—CaMg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：①要從地質歷史發(fā)展的眼光（角度）來理解—它是地質歷史長期作用的結果②地下水是不斷運動的—溶解的組分會被帶去（巖土組分變化）

前期溶濾作用—溶濾什么組分，水中獲得相應組分后期溶濾作用—長期強烈溶濾作用的結果是難溶成分的低礦化水

要用地質歷史的觀點去考察，去分析與研究問題??！6.2.1溶濾作用——結果CompanyLogo6.2.2濃縮作用

定義：地下水在蒸發(fā)排泄條件下，水分不斷失去，鹽分相對濃集，而引起的一系列地下水化學成分的變化過程。

濃縮作用（過程）——理想的蒸發(fā)濃縮模式水份失去過程→鹽分相對濃集，化學成分的變化（實際上與上述理想模式是不同的）地下水在蒸發(fā)過程中，水分失去還有補充；鹽分積累也有補充。因此，實際的蒸發(fā)作用可以產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)理想模式圖CompanyLogo濃縮作用（過程）理想模式1.0L水350mg/L蒸發(fā)（1）0.5L700mg/L蒸發(fā)（2）0.25L1400mg/L蒸發(fā)（3）0.125L2800mg/L0.5L水1.0L水0.25L水CompanyLogo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

過渡區(qū)礦化度中、SO4--MgCa

地下水化學特征具有分帶性

溶濾作用水交替迅速礦化度低、HCO3--Ca

由于地下水化學成分形成作用受區(qū)域自然地理與地質條件的影響，地下水的化學特征往往具有一定的分帶性（空間上的）。

CompanyLogo山西忻州盆地地下水水化學圖CompanyLogo6.2地下水化學成分的形成作用

三、脫碳酸作用（鐘乳石、石筍、泉華）Ca2+(Mg2+)+2HCO3-

→CO2↑+H2O+CaCO3↓結果：Ca2+↓Mg2+↓HCO3-↓礦化度↓pH↓（略有變化）

四、脫硫酸作用(還原環(huán)境中脫硫酸細菌使SO42-還原為H2S）

SO42-

+2C+2H2O→H2S↑+2HCO-3

結果：SO42-↓；HCO3-↑，pH↑；尋找油田的輔助標志。CompanyLogo6.2地下水化學成分的形成作用

五、陽離子吸附交替作用巖土顆粒表面帶有負電荷，能夠吸附陽離子。一定條件下，顆粒將吸附地下水中某些陽離子，而將其原來吸附的部分陽離子轉為地下水中的組分，這便是陽離子交替吸附作用。某種陽離子↓，某另一種陽離子增高↑H+>Fe3+>Al3+>Cl->Mg2+>K+>Na+

CompanyLogo6.2地下水化學成分的形成作用

六、混合作用—結果不一定??！成分不同的兩種水匯合在一起，形成化學成分與原來兩者都不相同的地下水，這便是混合作用。混合作用的結果，可能發(fā)生化學反應而形成化學類型完全不同的地下水。兩種水的混合也可能不產生明顯的化學反應。例如當高礦化的氯化鈉型海水混入低礦化的重碳酸鈣鎂型地下水中，基本上不產生化學反應。這種情況下，混合水的礦化度與化學類型取決于參與混合的兩種水的成分及其混合比例。CompanyLogo6.2地下水化學成分的形成作用

七、人為活動的作用（影響）（1）工業(yè)生產的廢氣、廢水與廢渣以及農業(yè)上大量使用化肥農藥，使天然地下水富集了原來含量很低的有害元素，如酚、氰、汞、砷、鉻、亞硝酸等；（2）濱海地區(qū)過量開采地下水引起海水入侵；（3）不合理的打井采水使咸水運移；（4）干旱半干旱地區(qū)不合理地引入地表水灌溉，引起大面積次生鹽漬化等；CompanyLogo6.3

總礦化度與地下水化學成分分類一、地下水化學成分的分析內容—是水質評價基礎分為簡分析和全分析，某些專門性工作進行專項分析。簡分析：除物理性質（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+及礦化度有時含專項分析：NO-3，NO-2

，NH4，Fe2+Fe3+，H2S，耗氧量等

CompanyLogo6.3

總礦化度與地下水化學成分分類一、地下水化學成分的分析內容

全分析項目較多，要求精度高，通常在簡分析得基礎上選擇代表性水樣進行全分析一般定量分析：HCO-3,SO2-4,Cl-，Ca2+,Mg2+,K+,Na+，NO-3，NO-2

，NH4，Fe2+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；研究水的侵蝕性時需分水的侵蝕性CO2。全國地下水污染防治規(guī)劃——調查指標CompanyLogo全國地下水污染防治規(guī)劃——調查指標（1）①

感官指標：肉眼可見物、顏色、嗅、味、透明度、渾濁度、色度、水溫等。

②

常規(guī)組分：pH值、游離二氧化碳、Cl-、SO4-、HCO3-、CO32-、K+、Ca2+、Na+、Mg2+、NH4+、Fe2+、Fe3+、NO2-、NO3-、F-、Br-、I-、PO43-、COD、可溶性二氧化硅、總硬度、礦化度等。

③

重金屬組分：Hg、Cu、Pb、As、Cd、Mn、Zn、Ni、Co、Cr6+、總Cr、V、W、Sr、Ba、U、Ra、Se、Al3+等。CompanyLogo全國地下水污染防治規(guī)劃——調查指標（2）④有機污染組分：三氯甲烷、四氯化碳、三溴甲烷、二氯甲烷、1，2-二氯乙烷、環(huán)氧氯丙烷、氯乙烯、1，1-二氯乙烯、1，2-二氯乙烯、三氯乙烯、四氯乙烯、氯丁二烯、六氯丁二烯、苯乙烯、甲醛、乙醛、丙烯醛、三氯乙醛、苯、乙苯、二甲苯、異丙苯、氯苯、1，2-二氯苯、1，4-二氯苯、三氯苯、四氯苯、六氯苯、硝基苯、二硝基苯、2，4-二硝基甲苯、2，4，6-三硝基甲苯、硝基氯苯、2，4-二硝基氯苯、2，4-二氯苯酚、2，4，6-三氯苯酚、五氯酚、苯胺、聯苯胺。……DDT、六六六（總量）、林丹（γ-六六六）、2，4-滴、七氯、呋喃丹、敵敵畏（含敵百蟲）。⑤生物學指標：總大腸菌群、菌落總數。CompanyLogo6.3.2礦化度或總固體溶解物(TDS）

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：①105～110℃溫度下，水樣烘干后的干涸殘余物質，單位：g/L,mg/L(ppm)②計算中，用全分析實驗結果，陰陽離子總和減1/2HCO-3含量求算據礦化度的水樣分類：<1g/L,1～3g/L,3～10g/L,10～50g/L,>50g/L

淡水微咸水咸水鹽水鹵水礦化度或總固體溶解物

(TDS）

（totaldissolvedsolids，

totaldissolvedsalt)CompanyLogo6.3.3水化學成分的表示方法—庫爾洛夫式分式前：特殊成分、氣體成分、礦化度M，單位(g/L)分式上下：陰、陽離子（毫克當量百分數≥10%

或稱視毫摩爾百分數）分式后：水溫（oC)特點是直觀、表示簡單也較全面，可以反映水的成因類型（常用方法）

庫爾洛夫式:現有某一水樣水化學資料，試求以下問題：（1）該水樣的礦化度；（2）求該水樣的分析誤差（3）分析其水化學類型用庫爾洛夫式表示（4）該水樣的總硬度水化學成分含量(mg/L)原子量：Na：23.0、K：39.1、Ca：40.1、Mg：24.3、Fe：55.8、Cl：35.5、S：32.1、N：14.0、O：16.0；H：1；C：12.0。水化學成分含量(mg/L)水化學成分含量(mg/L)Na+58.5Cl-3.2K+SO42-18.7Ca2+95.2HCO3-616.3Mg2+42.4游離CO25.0Fe2+0.20H2SiO33.0Fe3+0.60pH7.4溫度/℃15解：（1）求礦化度=(58.5+95.2+42.4+3.2+18.7+616.3-616.3*0.5)*10-3=0.527g/L(2)分析誤差先計算毫克當量和毫克當量百分數水化學成分含量(mg/L)毫克當量(meq/L)毫克當量百分數水化學成分含量(mg/L)毫克當量(meq/L)毫克當量百分數Na+58.52.5423.54Cl-3.20.090.85K+SO42-18.70.393.68Ca2+95.24.7644.11HCO3-616.310.1095.49Mg2+42.43.4932.34∑10.7910.58誤差計算式：在簡分析的誤差范圍內（3）庫爾洛夫式為：在簡分析的誤差范圍內（3）庫爾洛夫式為：所以該水為灰?guī)r地區(qū)型水灰?guī)r地區(qū)型水（4）總硬度為CompanyLogo6.3.4舒夫卡列分類

前蘇聯學者C.A.Щукалев提出來的:

方式：將地下水中主要七種離子合并為6種，取含量（毫克當量百分數，或視毫摩爾百分含量）≥25%的離子，組合定名。陰、陽離子≥25%的出現情況各有7種（7種組合）兩者（陰、陽）共組合為7×7=49種水型（P61，表6-2）

加上礦化度分——分為4組：

A：TDS<1.5g/L,B:TDS1.5～10g/LC:10～