地下水的化學(xué)成分及其形成作用

地下水的化學(xué)成分及其形成作用第1頁(yè)，共79頁(yè)，2023年，2月20日，星期四第六章地下水的化學(xué)成分及其形成作用6.1概述6.2地下水的化學(xué)特征6.3地下水的溫度6.4地下水化學(xué)成分的形成作用6.5地下水化學(xué)成分的基本成因類型6.6地下水化學(xué)成分的分析內(nèi)容與分類圖示第2頁(yè)，共79頁(yè)，2023年，2月20日，星期四6.1概述地下水是一種復(fù)雜的溶液：賦存于巖石圈中,不斷與巖土發(fā)生化學(xué)反應(yīng);與大氣圈、水圈和生物圈進(jìn)行水量和化學(xué)成分的交換。人類活動(dòng)的影響改變了地下水的化學(xué)面貌。地下水的化學(xué)成分是地下水與環(huán)境（自然地理、地質(zhì)背景、人類活動(dòng)）——長(zhǎng)期相互作用的產(chǎn)物。某區(qū)地下水的化學(xué)面貌,反映該區(qū)地下水的歷史演變。研究地下水的化學(xué)成分，可以幫助我們回溯一個(gè)地區(qū)的水文地質(zhì)歷史，闡明地下水的起源與形成。第3頁(yè)，共79頁(yè)，2023年，2月20日，星期四水是最為常見(jiàn)的良好溶劑：它溶解、搬運(yùn)巖土組分,并在某些情況下將某些組分從水中析出。水是地球中元素遷移、分散與富集的載體：許多地質(zhì)過(guò)程(巖溶、沉積、成巖、變質(zhì)、成礦）都涉及地下水的化學(xué)作用。第4頁(yè)，共79頁(yè)，2023年，2月20日，星期四根據(jù)不同用途，利用地下水都對(duì)其水質(zhì)有一定要求,并要進(jìn)行水質(zhì)評(píng)價(jià)：飲用水水質(zhì)評(píng)價(jià)工業(yè)用水水質(zhì)評(píng)價(jià)農(nóng)業(yè)用水水質(zhì)評(píng)價(jià)工程建設(shè)項(xiàng)目用水水質(zhì)評(píng)價(jià)第5頁(yè)，共79頁(yè)，2023年，2月20日，星期四地下水是寶貴的液體礦產(chǎn)：含大量鹽類(如NaCl、KCl)或富集某些稀散元素(Br、I、B、Sr等)的地下水是寶貴的工業(yè)原料；某些具有特殊物理性質(zhì)與化學(xué)成分的水具有醫(yī)療意義；第6頁(yè)，共79頁(yè)，2023年，2月20日，星期四

鹽礦、油田、金屬礦床所形成特定化學(xué)元素的分散暈圈是找礦的重要標(biāo)志。污染物在地下水中散布,也會(huì)形成暈圈。這就需要查明有關(guān)物質(zhì)的遷移、分散規(guī)律,確定礦床或污染源的位置。第7頁(yè)，共79頁(yè)，2023年，2月20日，星期四地下水中化學(xué)元素遷移、集聚、分散的規(guī)律——水文地球化學(xué)的研究?jī)?nèi)容。地下水中元素遷移不能脫離水的流動(dòng)；水文地球化學(xué)的研究必須與地下水運(yùn)動(dòng)的研究緊密結(jié)合。第8頁(yè)，共79頁(yè)，2023年，2月20日，星期四地下水水質(zhì)的演變具有時(shí)間上繼承的特點(diǎn)：

自然地理與地質(zhì)發(fā)展歷史給予地下水的化學(xué)面貌以深刻影響，故不能從純化學(xué)角度,孤立、靜止地研究地下水的化學(xué)成分及其形成,必須從水與環(huán)境長(zhǎng)期相互作用的角度,去揭示地下水化學(xué)演變的內(nèi)在依據(jù)與規(guī)律。第9頁(yè)，共79頁(yè)，2023年，2月20日，星期四6.2地下水的化學(xué)特征主要?dú)怏w成分主要離子成分其他成分總礦化度及化學(xué)成分表示式第10頁(yè)，共79頁(yè)，2023年，2月20日，星期四一、地下水中主要?dú)怏w成分

地下水中常見(jiàn)的氣體成分：

O2、N2、CO2、CH4、H2S等。尤以前三種為主。通常情況下，地下水中氣體含量不高，只有幾mg/L到幾十mg/L。研究地下水中氣體成分的意義：

①氣體成分—能夠說(shuō)明地下水所處的地球化學(xué)環(huán)境；

②水中有些氣體—會(huì)增加水溶解鹽類的能力，促進(jìn)某些化學(xué)反應(yīng)。第11頁(yè)，共79頁(yè)，2023年，2月20日，星期四1.氧（02）、氮（N2）地下水中的氧氣和氮?dú)庵饕獊?lái)源于大氣。它們隨大氣降水及地表水補(bǔ)給地下水,故以入滲補(bǔ)給為主、與大氣圈關(guān)系密切的地下水中含02

、N2

較多。溶解氧含量愈多,說(shuō)明地下水所處的地球化學(xué)環(huán)境（氧化環(huán)境）愈有利于氧化作用進(jìn)行。第12頁(yè)，共79頁(yè)，2023年，2月20日，星期四1.氧（02）、氮（N2）02的化學(xué)性質(zhì)遠(yuǎn)較N2活潑，在較封閉的環(huán)境中，02將耗盡而只留下N2。因此，N2的單獨(dú)存在，通?？烧f(shuō)明地下水起源于大氣并處于還原環(huán)境。大氣中的惰性氣體（A、Kr、Xe）與N2的比例恒定，即(A+Kr+Xe)/N2=0.0118。比值等于此數(shù)，說(shuō)明N2是大氣起源的；小于此數(shù)，則表明水中含有生物起源或變質(zhì)起源的N2

。第13頁(yè)，共79頁(yè)，2023年，2月20日，星期四2.硫化氫(H2S)、甲烷（CH4）:地下水中出現(xiàn)H2S、CH4,其意義與出現(xiàn)O2相反,說(shuō)明處于還原的地球化學(xué)環(huán)境（還原環(huán)境）。這兩種氣體的生成,均在與大氣比較隔絕的環(huán)境中,有有機(jī)物存在,微生物參與的生物化學(xué)過(guò)程有關(guān)。其中,H2S

是SO42-的還原產(chǎn)物。第14頁(yè)，共79頁(yè)，2023年，2月20日，星期四3.二氧化碳(C02）：地下水中的C02主要來(lái)源于土壤（有機(jī)質(zhì)殘骸的發(fā)酵作用與植物的呼吸作用使土壤中源源不斷產(chǎn)生C02并溶入流經(jīng)土壤的地下水中）。含碳酸鹽類的巖石,在深部高溫下，可變質(zhì)生成C02。在少數(shù)情況下,地下水中可能富含C02

甚至高達(dá)1g/L以上。煤、石油、天然氣燃料,使大氣中人為產(chǎn)生的C02明顯增加。大氣中C02濃度的不斷上升，引起了嚴(yán)重的溫室效應(yīng)，使氣溫上升。地下水中含C02越多，其溶解碳酸鹽巖與對(duì)結(jié)晶巖進(jìn)行風(fēng)化作用的能力越強(qiáng)。第15頁(yè)，共79頁(yè)，2023年，2月20日，星期四二、地下水中主要離子成分地下水中分布最廣、含量較多的離子（七種）：Cl-、SO42-、HCO3-、Na+、K+、Ca2+、Mg2+。構(gòu)成這些離子的元素，或是地殼中含量較高，且較易溶于水的（如O2、Ca、Mg、Na、K）；或是地殼中含量雖不很大，但極易溶于水的（Cl、以SO42-形式出現(xiàn)的S）。Si、Al、Fe等元素，雖然在地殼中含量很大，但由于難溶于水，地下水中含量通常不大。第16頁(yè)，共79頁(yè)，2023年，2月20日，星期四一般情況下,隨著總礦化度(總?cè)芙夤腆w）的變化,地下水中占主要地位的離子成分也隨之發(fā)生變化，即：

低礦化水中以HC03-、Ca2+、Mg2+為主;

高礦化水以Cl-、Na+為主;

中等礦化水中,陰離子常以S042-為主,主要陽(yáng)離子為Na+、Ca2+。第17頁(yè)，共79頁(yè)，2023年，2月20日，星期四地下水的礦化度與離子成分間之所以具有這種對(duì)應(yīng)關(guān)系,主要原因是水中鹽類的溶解度不同第18頁(yè)，共79頁(yè)，2023年，2月20日，星期四總的規(guī)律：氯鹽的溶解度>硫酸鹽>碳酸鹽礦化度異常高的地下水中以氯和鈣為主的原因：鈣的硫酸鹽,特別是鈣、鎂的碳酸鹽,溶解度最小;隨著礦化度增大,鈣、鎂的碳酸鹽首先達(dá)到飽和并沉淀析出,繼續(xù)增大時(shí),鈣的硫酸鹽也飽和析出,因此,高礦化水中便以易溶的氯和鈉占優(yōu)勢(shì)（由于氯化鈣的溶解度更大,故在礦化度異常高的地下水中以氯和鈣為主）。第19頁(yè)，共79頁(yè)，2023年，2月20日，星期四氯離子(Cl-)氯離子在地下水中廣泛分布,但低礦化水中一般含量?jī)H數(shù)mg/L到數(shù)十mg/L,高礦化水中可達(dá)數(shù)g/L乃至100g/L以上。地下水中Cl-的主要來(lái)源:①沉積巖中所含巖鹽或其它氯化物的溶解;②巖漿巖中含氯礦物方鈉石[NaAlSiO4·NaCl]、氯磷灰石[Ca5(PO4)3Cl]的風(fēng)化溶解;③海水：海水補(bǔ)給地下水，或來(lái)自海面的風(fēng)將細(xì)沫狀的海水帶到陸地，使地下水中Cl-增多;④火山噴發(fā)物的溶濾;⑤人為污染:工業(yè)、生活污水及糞便中含有大量Cl-。Cl-不為植物及細(xì)菌所攝取，不被土粒表面吸附，氯鹽溶解度大，不易沉淀析出，是地下水中最穩(wěn)定的離子。Cl-的含量隨著礦化度增長(zhǎng)而不斷增加，Cl-的含量?？捎脕?lái)說(shuō)明地下水的礦化程度。

第20頁(yè)，共79頁(yè)，2023年，2月20日，星期四硫酸根離子（SO42-）：不同礦化程度水中（SO42-）的含量：高礦化水,含量?jī)H次于Cl-,可達(dá)數(shù)g/L;

低礦化水,一般含量?jī)H數(shù)mg/L;

中等礦化水,SO42-常成為含量最多的陰離子。硫酸根離子（SO42-）來(lái)源：

含石膏或其它硫酸鹽的沉積巖的溶解。

煤系地層含有黃鐵礦；金屬硫化物礦床附近。

燃燒給大氣人為產(chǎn)生的SO2與氮氧化合物，構(gòu)成富含硫酸及硝酸的降水（酸雨）,使地下水中SO42-增加。第21頁(yè)，共79頁(yè)，2023年，2月20日，星期四重碳酸根離子（HC03-）：地下水中的重碳酸的來(lái)源：

①含碳酸鹽的沉積巖與變質(zhì)巖（如大理巖）；

②巖漿巖與變質(zhì)巖區(qū),鋁硅酸鹽礦物的風(fēng)化溶解,如:(鈉長(zhǎng)石、鈣長(zhǎng)石）；地下水中HC03-的含量：一般不超過(guò)數(shù)百mg/L,HC03-總是低礦化水的主要陰離子成分。第22頁(yè)，共79頁(yè)，2023年，2月20日，星期四鈉離子（Na+）:含量：

低礦化水中含量一般很低,僅數(shù)mg/L到數(shù)十mg/L;

高礦化水中主要的陽(yáng)離子，含量最高可達(dá)數(shù)十g/L。來(lái)源：沉積巖中巖鹽及其它鈉鹽的溶解；

海水；巖漿巖和變質(zhì)巖區(qū)含鈉礦物的風(fēng)化溶解。第23頁(yè)，共79頁(yè)，2023年，2月20日，星期四鉀離子（K+）：鉀離子的來(lái)源：含鉀鹽類沉積巖的溶解；巖漿巖、變質(zhì)巖中含鉀礦物的風(fēng)化溶解。低礦化水中含量甚微，高礦化水中較多。K+大量地參與形成不溶于水的次生礦物（水云母、蒙脫石、絹云母），并易為植物所攝取，因此，地下水中K+的含量要比Na+少得多。K+的性質(zhì)與Na+相近，含量少，分析比較費(fèi)事，故一般情況下，將K+歸并到Na+中，不另區(qū)分。

第24頁(yè)，共79頁(yè)，2023年，2月20日，星期四鈣離子（Ca2+）:含量：

低礦化水中的主要陽(yáng)離子,其含量一般不超過(guò)數(shù)百mg/L。

高礦化水中,因陰離子主要為Cl-,而CaCl2的溶解度相當(dāng)大，故Ca2+的絕對(duì)含量顯著增大,但仍遠(yuǎn)低于Na+。礦化度格外高的水,鈣也可成為主要離子。來(lái)源：

碳酸鹽類沉積物及含石膏沉積物的溶解；巖漿巖、變質(zhì)巖中含鈣礦物的風(fēng)化溶解。第25頁(yè)，共79頁(yè)，2023年，2月20日，星期四鎂離子（Mg2+）：來(lái)源：沉積巖：含鎂的碳酸鹽類沉積(白云巖、泥灰?guī)r）；巖漿巖、變質(zhì)巖中含鎂礦物的風(fēng)化溶解。含量：

低礦化水中含量通常較Ca2+少,通常不成為地下水中的主要離子,部分原因是由于地殼組成中Mg比Ca少。第26頁(yè)，共79頁(yè)，2023年，2月20日，星期四三、地下水中的其它成分地下水中的次要離子：如H+、Fe2+、Fe3+、Mn2+、OH-、NO2-、NH4+……。地下水中的微量組分：Br、I、F、B、Sr等。膠體：地下水中以未離解的化合物構(gòu)成的膠體，主要有Fe（OH）3、Al（OH）3及H2SiO3等。有機(jī)質(zhì)：常以膠體方式存在于地下水中。微生物：地下水中存在各種微生物。例如,氧化環(huán)境中存在硫細(xì)菌、鐵細(xì)菌等;還原環(huán)境存在脫硫酸細(xì)菌等;污染水中有各種致病細(xì)菌。第27頁(yè)，共79頁(yè)，2023年，2月20日，星期四四、地下水的總礦化度及化學(xué)成分表示式總礦化度的概念：

地下水中所含各種離子、分子與化合物的總量稱為總礦化度(總?cè)芙夤腆w）,以每升水中所含克數(shù)（g/L）表示。總礦化度的表征方式：

a.習(xí)慣上以105℃一110℃時(shí)將水蒸干所得的干涸殘余物總量來(lái)表征；

b.在水質(zhì)簡(jiǎn)分析中是用分析所得的陰陽(yáng)離子含量相加，然后減去HCO3-含量的一半，作為水的礦化度。

為什么要減去一半，這是因?yàn)樵谡舾蓵r(shí)有將近一半的HCO3-分解生成CO2及H2O而逸失，同時(shí)保證與干涸殘余物的重量相匹配。第28頁(yè)，共79頁(yè)，2023年，2月20日，星期四庫(kù)爾洛夫式表示法：橫線上下：

表示陰陽(yáng)離子——分別按毫克當(dāng)量百分?jǐn)?shù)自大到小順序排列,小于10%的離子不予表示。橫線前：

依次表示特殊成分、氣體成分、礦化度(以字母M為代號(hào)),單位為g/L；橫線后：以字母t為代號(hào)表示以攝氏計(jì)的水溫。第29頁(yè)，共79頁(yè)，2023年，2月20日，星期四

地下水的物理性質(zhì)包括水溫、顏色、透明度、味道、氣味、比重、放射性、導(dǎo)電性。一、地下水的溫度

地下水的溫度主要受當(dāng)?shù)氐販刈兓挠绊?。要研究地下水的溫度，首先要研究地溫的變化?guī)律。

地殼表層有兩個(gè)熱能來(lái)源:太陽(yáng)的輻射；地球內(nèi)部的熱流。6.3地下水的溫度第30頁(yè)，共79頁(yè)，2023年，2月20日，星期四根據(jù)受熱源影響的情況,地殼表層溫度可分三帶：變溫帶——受太陽(yáng)輻射影響的地表極薄的溫度變化帶。常溫帶——變溫帶以下一個(gè)厚度極小的帶增溫帶——常溫帶以下,地溫受地球內(nèi)熱影響的帶

第31頁(yè)，共79頁(yè)，2023年，2月20日，星期四變溫帶特征：處于受太陽(yáng)輻射影響的地表極薄的帶。由于太陽(yáng)輻射能的周期變化,本帶呈現(xiàn)地溫的晝夜變化和季節(jié)變化。地溫晝夜變化影響地表以下1-2m深。變溫帶的下限深度一般為15-30m。地溫年變化小于0.1℃。第32頁(yè)，共79頁(yè)，2023年，2月20日，星期四常溫帶的特征：處于變溫帶以下一個(gè)厚度極小的地帶。地溫一般比當(dāng)?shù)啬昶骄鶜鉁馗叱?一2℃，可將當(dāng)?shù)氐亩嗄昶骄鶜鉁刈鳛槌貛У販?。增溫帶：常溫帶以?地溫受地球內(nèi)熱影響，隨深度加大而有規(guī)律地升高。增溫帶中的地溫變化用地溫梯度表示。地溫梯度：指每增加單位深度時(shí)地溫的增值，一般以℃/100m為單位。地溫梯度的平均值約為3℃/100m。通常變化于1.5-4℃/100m之間，但個(gè)別新火山活動(dòng)區(qū)可以很高。第33頁(yè)，共79頁(yè)，2023年，2月20日，星期四地下水的溫度受其賦存與循環(huán)所處的地溫控制：變溫帶中淺埋地下水顯示微小的水溫季節(jié)變化。常溫帶地下水溫與當(dāng)?shù)啬昶骄鶜鉁睾芙咏?。增溫帶地下水隨其賦存與循環(huán)深度的加大而提高,成為熱水甚至蒸汽。利用年平均氣溫t、年常溫帶深度h、地溫梯度r，可計(jì)算某一深度H的地下水水溫T。

T=t+(H-h)r

同樣，利用地下水水溫T，可以推算地下水的大致循環(huán)深度H。第34頁(yè)，共79頁(yè)，2023年，2月20日，星期四二、地下水的其它物理性質(zhì)

一般地下水都是無(wú)色、無(wú)味、透明、含鹽量低的液體，當(dāng)?shù)叵滤泻心承┗瘜W(xué)成分時(shí)，地下水的物理性質(zhì)就發(fā)生變化。如：含H2S—翠綠色—臭雞蛋氣味含F(xiàn)e3+—淡藍(lán)色—鐵腥味含腐殖質(zhì)—暗黃色—魚(yú)腥味含H2CO3有甜味；NaCl有咸味；Na2SO4有澀味；MgCl2、MgSO4有苦味；H2S與碳酸氣同時(shí)存在有酸味。第35頁(yè)，共79頁(yè)，2023年，2月20日，星期四6.4地下水化學(xué)成分的形成作用溶濾作用濃縮作用脫碳酸作用脫硫酸作用陽(yáng)離子交替吸附作用混合作用人類活動(dòng)在地下水化學(xué)成分形成中的作用第36頁(yè)，共79頁(yè)，2023年，2月20日，星期四一、溶濾作用溶濾作用的概念：在水與巖土相互作用下,巖土中一部分物質(zhì)轉(zhuǎn)入地下水中——溶濾作用。溶濾作用的結(jié)果：巖土失去一部分可溶物質(zhì),地下水補(bǔ)充了新的組分。第37頁(yè)，共79頁(yè)，2023年，2月20日，星期四水分子結(jié)構(gòu)：由一個(gè)帶負(fù)電的氧離子和兩個(gè)帶正電的氫離子組成的。由于氫和氧分布不對(duì)稱,在接近氧原子一端形成負(fù)極,氫離子一端形成正極,成為偶極分子。第38頁(yè)，共79頁(yè)，2023年，2月20日，星期四

巖土與水接觸時(shí),組成結(jié)晶格架的鹽類離子,被水分子帶相反電荷的一端所吸引；當(dāng)水分子對(duì)離子的引力足以克服結(jié)晶格架中離子間的引力時(shí),離子脫離晶架,被水分子所包圍,溶入水中（圖2)。第39頁(yè)，共79頁(yè)，2023年，2月20日，星期四

當(dāng)?shù)V物鹽類與水溶液接觸時(shí),同時(shí)發(fā)生兩種方向相反的作用:

溶解作用、結(jié)晶作用

溶解作用使離子由結(jié)晶格架轉(zhuǎn)入水中；而結(jié)晶作用使離子從溶液中固著于晶體格架上。隨著溶液中鹽類離子增加,結(jié)晶作用加強(qiáng),溶解作用減弱。

當(dāng)同一時(shí)間內(nèi)溶解與析出的鹽量相等時(shí),溶液達(dá)到飽和。此時(shí),溶液中某種鹽類的含量即為其溶解度。第40頁(yè)，共79頁(yè)，2023年，2月20日，星期四

隨著溫度上升,結(jié)晶格架內(nèi)離子的振蕩運(yùn)動(dòng)加劇,離子間引力削弱,水的極化分子易于將離子從結(jié)晶格架上拉出。故鹽類溶解度通常隨溫度上升而增大。第41頁(yè)，共79頁(yè)，2023年，2月20日，星期四影響溶濾作用強(qiáng)度的因素巖土礦物鹽類的溶解度（如NaCl與SiO2）巖土的空隙特征（如致密基巖）水的溶解能力（溶解度，低礦化水溶解能力強(qiáng)）水中的O2、CO2等氣體成分的含量

O2高，溶解硫化物能力強(qiáng)，CO2高，溶解碳酸鹽及硅酸鹽的能力強(qiáng)。水的流動(dòng)狀況：徑流與交替強(qiáng)度——最活躍、最關(guān)鍵因素。第42頁(yè)，共79頁(yè)，2023年，2月20日，星期四注意：溶濾作用與溶解作用在內(nèi)涵上的區(qū)別

溶濾作用：在不破壞晶體結(jié)晶格架情況下，部分組分進(jìn)入地下水中的作用。如難溶的硅鋁酸鹽中的某些成分。溶解作用：破壞了礦物的結(jié)晶格架，使礦物的全部成分進(jìn)入地下水中。如氯化鈉。

溶濾作用具有時(shí)間上的階段性和空間上的差異性。時(shí)間上的階段性設(shè)想巖層中原來(lái)有氯化物+硫酸鹽+碳酸鹽+硅酸鹽等各種礦物鹽類。開(kāi)始階段，氯化物最易于由巖層轉(zhuǎn)入水中，成為地下水中主要化學(xué)組分。隨著溶濾作用延續(xù)，巖層含有的氯化物由于不斷轉(zhuǎn)入水中并被水流帶走而貧化，相對(duì)易溶的硫酸鹽成為遷入水中的主要組分。溶濾作用長(zhǎng)期持續(xù)，巖層中保留下來(lái)的幾乎只是難溶的碳酸鹽及硅酸鹽，地下水的化學(xué)成分當(dāng)然也就以碳酸鹽及硅酸鹽為主了。因此，一個(gè)地區(qū)經(jīng)受溶濾愈強(qiáng)烈，時(shí)間愈長(zhǎng)，地下水的礦化度愈低，愈是以難溶離子為其主要成分。第43頁(yè)，共79頁(yè)，2023年，2月20日，星期四空間上的差異性氣候愈是潮濕多雨，地質(zhì)構(gòu)造的開(kāi)啟性愈好，巖層的導(dǎo)水能力愈強(qiáng)，地形切割愈強(qiáng)烈，地下徑流與水交暫愈迅速，巖層經(jīng)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(duì)含量也就愈高。第44頁(yè)，共79頁(yè)，2023年，2月20日，星期四

二、濃縮作用

當(dāng)?shù)叵滤宦癫夭簧?蒸發(fā)成為地下水的主要排泄方式。

由于蒸發(fā)作用只排走水分,鹽分仍保留在余下地下水中,隨著時(shí)間延續(xù),地下水溶液逐漸濃縮,礦化度不斷增大。同時(shí),隨著地下水礦化度上升,溶解度較小的鹽類在水中相繼達(dá)到飽和而沉淀析出,易溶鹽類（如NaCl)的離子逐漸成為水中主要成分。第45頁(yè)，共79頁(yè)，2023年，2月20日，星期四濃縮作用（過(guò)程）理想模式0.5L水1.0L水0.25L水第46頁(yè)，共79頁(yè)，2023年，2月20日，星期四產(chǎn)生濃縮作用必須同時(shí)具備的條件:干旱或半干旱的氣候；低平地勢(shì)控制下較淺的地下水位埋深；有利于毛細(xì)作用的顆粒細(xì)小的松散巖土；地下水流動(dòng)系統(tǒng)的勢(shì)匯——排泄處。

干旱或半干旱氣候下，濃縮作用的規(guī)模取決于地下水流動(dòng)系統(tǒng)的空間尺度以及其持續(xù)的時(shí)間尺度。第47頁(yè)，共79頁(yè)，2023年，2月20日，星期四三、脫碳酸作用水中CO2的溶解度受環(huán)境的溫度和壓力控制。脫碳酸作用概念：CO2的溶解度隨溫度升高或壓力降低而減小,一部分CO2成為游離CO2從水中逸出——脫碳酸作用。脫碳酸的結(jié)果：地下水中HC03-及Ca2+、Mg2+減少,礦化度降低:

Ca2++2HC03-→CO2+H20+CaC03↓

Mg2++2HC03-→CO2+H20+MgC03↓

深部地下水上升成泉，因脫碳酸作用，泉口形成鈣華；溫度較高的深層地下水，因脫碳酸作用使Ca2+、Mg2+從水中析出，陽(yáng)離子以Na+為主。第48頁(yè)，共79頁(yè)，2023年，2月20日，星期四四、脫硫酸作用

在還原環(huán)境中,當(dāng)有有機(jī)質(zhì)存在時(shí),脫硫酸細(xì)菌能使SO42-還原為H2S：

SO42-+2C+2H2O→H2S↑+2HC03-

結(jié)果：使地下水中SO42-減少以至消失,HC03-增加,pH值變大。封閉的地質(zhì)構(gòu)造是產(chǎn)生脫硫酸作用的有利環(huán)境。故某些油田水中出現(xiàn)H2S,而SO42-含量很低。這一特征可作為尋找油田的輔助標(biāo)志。第49頁(yè)，共79頁(yè)，2023年，2月20日，星期四五、陽(yáng)離子交替吸附作用

陽(yáng)離子交替吸附作用：

巖土顆粒表面帶有負(fù)電荷,能夠吸附陽(yáng)離子。一定條件下,顆粒將吸附地下水中某些陽(yáng)離子,而將其原來(lái)吸附的部分陽(yáng)離子轉(zhuǎn)為地下水中的組分——陽(yáng)離子交替吸附作用。當(dāng)含Ca2+為主的地下水,進(jìn)入主要吸附有Na+的巖土?xí)r,水中的Ca2+便置換巖土所吸附的一部分Na+,使地下水中Na+增多而Ca2+減小。第50頁(yè)，共79頁(yè)，2023年，2月20日，星期四

不同陽(yáng)離子吸附于巖土表面的能力不同，按吸附能力自大到小的排序：H+

>Fe3+>Al3+>Ca2+>Mg2+>K+>Na+

離子價(jià)越高，離子半徑越大，水化離子半徑越小，吸附能力越大。H+例外。第51頁(yè)，共79頁(yè)，2023年，2月20日，星期四地下水中某種離子的相對(duì)濃度增大，該種離子的交替吸附能力（置換巖土所吸附的離子的能力）隨之增大。例如，當(dāng)?shù)叵滤幸訬a+為主，而巖土中原來(lái)吸附有較多的Ca2+

，那么，水中的Na+將反過(guò)來(lái)置換巖土吸附的部分Ca2+

。海水侵入陸相沉積物時(shí)，就是這種情況。陽(yáng)離子交替吸附作用的規(guī)模取決于巖土的吸附能力。巖土的吸附能力決定于巖土的比表面積。顆粒越細(xì)，比表面積越大，交替吸附作用的規(guī)模就越大。故粘土及粘土巖類最容易發(fā)生交替吸附作用，而致密的結(jié)晶巖中，實(shí)際上不發(fā)生這種作用。第52頁(yè)，共79頁(yè)，2023年，2月20日，星期四六、混合作用混合作用的概念：成分不同的兩種水匯合在一起,形成化學(xué)成分與原來(lái)兩者都不相同的地下水——混合作用?；旌纤牡V化度與化學(xué)類型取決于參與混合的兩種水的成分及其混合比例：兩種水的混合可能產(chǎn)生或不產(chǎn)生明顯的化學(xué)反應(yīng)。第53頁(yè)，共79頁(yè)，2023年，2月20日，星期四七、人類活動(dòng)在地下水化學(xué)成分形成中的作用

近年來(lái),隨著社會(huì)生產(chǎn)力與人口的增長(zhǎng),人類活動(dòng)對(duì)地下水化學(xué)成分的影響愈來(lái)愈大：人類活動(dòng)產(chǎn)生的廢棄物污染地下水；人為作用大規(guī)模地改變了地下水形成條件,從而使地下水化學(xué)成分發(fā)生變化。第54頁(yè)，共79頁(yè)，2023年，2月20日，星期四6.5地下水化學(xué)成分的基本成因類型不同領(lǐng)域?qū)W者比較一致的結(jié)論：地球上的水圈是原始地殼生成后，氫和氧隨同其它易揮發(fā)組分從地球內(nèi)部層圈逸出而形成的——地下水起源于地球深部層圈。地下水的主要成因類型（從形成地下水化學(xué)成分的基本成因出發(fā)）：

溶濾水、沉積水、內(nèi)生水

第55頁(yè)，共79頁(yè)，2023年，2月20日，星期四一、溶濾水

富含C02與02的滲入成因的地下水,溶濾它所流經(jīng)的巖土而獲得其主要化學(xué)成分,這種水稱之為溶濾水。溶濾水的成分受到巖性、氣候、地貌等因素的影響。第56頁(yè)，共79頁(yè)，2023年，2月20日，星期四巖性對(duì)溶濾水的影響：石灰?guī)r、白云巖分布區(qū)的地下水,HC03-、Ca2+

、Mg2+為其主要成分。含石膏的沉積巖區(qū),水中SO42-與Ca2+均較多。酸性巖漿巖地區(qū)的地下水大都為HC03-—Na型水?；詭r漿巖地區(qū),地下水中常富含Mg2+。煤系地層分布區(qū)與金屬礦床分布區(qū)多形成硫酸鹽水。第57頁(yè)，共79頁(yè)，2023年，2月20日，星期四巖土的各種組分的遷移能力各不相同：在潮濕氣候下，原含有大量易溶鹽類(如NaCl、CaSO4)的沉積物，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)期充分溶濾，易遷移的離子淋洗比較充分，到后來(lái)地下水所能溶濾的主要是難以遷移的組分(如CaCO３、MgCO3、SiO2等)。故在潮濕氣候區(qū)，盡管原來(lái)地層中所含的組分很不相同，有易溶的與難溶的，但其淺表部在豐沛降水的充分淋濾下，最終淺層地下水很可能都是低礦化重碳酸水，難溶的SiO2在水中占到相當(dāng)比重。干旱氣候下，平原盆地的排泄區(qū)，地下水將鹽類不斷攜來(lái)，水分不斷蒸發(fā)，淺部地下水中鹽分不斷積累，不論其巖性有何差異，最終都將形成高礦化的氯化物水。從大范圍來(lái)說(shuō)，溶濾作用主要受控于氣候，顯示受氣候控制的分帶性。第58頁(yè)，共79頁(yè)，2023年，2月20日，星期四地形因素對(duì)溶濾水的影響：

地形因素往往會(huì)干擾氣候控制的分帶性。

在切割強(qiáng)烈的山區(qū)．流動(dòng)迅速、流程短的局部地下水系統(tǒng)發(fā)育。地下水徑流條件好，水交替迅速，即使在干旱地區(qū)也不會(huì)發(fā)生濃縮作用，因此常形成低礦化的以難溶離子為主地下水。

地勢(shì)低平的平原與盆地，地下水徑流微弱，水交替緩慢，地下水的礦化度與易溶離子含量均較高。第59頁(yè)，共79頁(yè)，2023年，2月20日，星期四

干旱地區(qū)的山間堆積盆地,因氣候、巖性、地形的統(tǒng)一分帶性,使其地下水化學(xué)分帶最為典型：山前氣候相對(duì)濕潤(rùn),顆粒比較粗大,地形坡度也大；向盆地中心,氣候轉(zhuǎn)為十分干旱,顆粒細(xì)小,地勢(shì)低平。

水化學(xué)分帶：從（盆地邊緣洪積扇頂部）低礦化重碳酸鹽水帶——（過(guò)渡地帶）中等礦化硫酸鹽水——（盆地中心）高礦化的氯化物水。第60頁(yè)，共79頁(yè)，2023年，2月20日，星期四

絕大部分地下水屬于溶濾水，包括：潛水、大部分承壓水。

位置較淺或構(gòu)造開(kāi)啟性好的含水系統(tǒng)：由于其徑流途徑短,流動(dòng)相對(duì)較快,溶濾作用發(fā)育,多形成低礦化的重碳酸鹽水。

構(gòu)造較為封閉的,位置較深的含水系統(tǒng)：形成礦化度較高,易溶離子為主的地下水。

同一含水系統(tǒng)的不同部位：由于徑流條件與流程長(zhǎng)短不同,水交替程度不同,而出現(xiàn)水平的或垂向的水化學(xué)分帶(圖9)。第61頁(yè)，共79頁(yè)，2023年，2月20日，星期四第62頁(yè)，共79頁(yè)，2023年，2月20日，星期四二、沉積水

沉積水：指與沉積物大體同時(shí)生成的古地下水。河、湖、海相的沉積物中的水具有不同的原始成分,在漫長(zhǎng)的地質(zhì)年代中水質(zhì)又經(jīng)歷一系列復(fù)雜的變化。

例如：海相淤泥為例（P59-60）,海相淤泥在成巖過(guò)程中受到上覆巖層壓力而密實(shí)時(shí)，其中所含的水，一部分被擠壓進(jìn)入顆粒較粗且不易壓密的相鄰巖層，構(gòu)成后生沉積水；另一部分仍保留于淤泥層中，成為同生沉積水。第63頁(yè)，共79頁(yè)，2023年，2月20日，星期四三、內(nèi)生水本世紀(jì)初,曾把溫?zé)岬叵滤醋鲙r漿分異的產(chǎn)物。后來(lái)發(fā)現(xiàn),在大多數(shù)情況下,溫泉是大氣降水滲入到深部加熱后重新升到地表形成的。近年來(lái),通過(guò)對(duì)地?zé)嵯到y(tǒng)的熱均衡分析得出,僅靠水滲入深部獲得的熱量無(wú)法解釋某些高溫水的出現(xiàn),認(rèn)為應(yīng)有10%-30%的來(lái)自地球深部層圈的高熱流體的加入。這樣,源自地球深部層圈的內(nèi)生水逐漸為人們重視。有人認(rèn)為,深部高礦化鹵水的化學(xué)成分也顯示了內(nèi)生水的影響。第64頁(yè)，共79頁(yè)，2023年，2月20日，星期四內(nèi)生水的典型化學(xué)特征至今并不完全清楚。前蘇聯(lián)某些花崗巖中包裹體溶液為礦化度100-200g/L的氯化鈉型水。冰島玄武巖區(qū)的熱蒸汽凝成的水，是礦化度1-2g/L的HS-HCO3-Na水，含有大量的SiO2與CO2。內(nèi)生水的研究迄今還很不成熟，它涉及水文地質(zhì)學(xué)乃至地質(zhì)學(xué)的一系列重大理論問(wèn)題。因此，今后水文地質(zhì)學(xué)的研究領(lǐng)域?qū)⑾虻厍蛏畈繉尤U(kuò)展，重視內(nèi)生水的研究。第65頁(yè)，共79頁(yè)，2023年，2月20日，星期四6.6地下水化學(xué)成分的

分析內(nèi)容與分類圖示地下水化學(xué)分析的內(nèi)容地下水化學(xué)分類與圖示方法第66頁(yè)，共79頁(yè)，2023年，2月20日，星期四一、地下水化學(xué)分析內(nèi)容地下水化學(xué)成分的分析是研究的基礎(chǔ)，工作目的與要求不同,分析項(xiàng)目與精度也不相同。一般水文地質(zhì)調(diào)查中的分析類型：簡(jiǎn)分析全分析專項(xiàng)分析第67頁(yè)，共79頁(yè)，2023年，2月20日，星期四簡(jiǎn)分析：用于了解區(qū)域地下水化學(xué)成分的概貌,這種分析可在野外利用專門(mén)的水質(zhì)分析箱就地進(jìn)行。分析的目的：為初步了解水質(zhì)是否適于飲用。特點(diǎn)：分析項(xiàng)目少，精度要求低,簡(jiǎn)便快速,成本不高,技術(shù)上容易掌握。第68頁(yè)，共79頁(yè)，2023年，2月20日，星期四分析項(xiàng)目：

物理性質(zhì)——溫度、顏色、透明度、嗅味、味道等；

定量分析項(xiàng)目——HC03-、S042-、Cl-、Ca2+、總硬度、pH值。通過(guò)計(jì)算可求得水中各主要離子含量及總礦化度。硬度：指水中含有的能與肥皂作用生成難溶物，或與水中某些陰離子生成水垢的金屬離子。如Ca2+、Mg2+（Fe2+、Mn2+、Al3+）。常用Ca2+、Mg2+含量表示。又分為總硬度、暫時(shí)硬度和永久硬度?？傆捕龋褐杆兴珻a2+、Mg2+

的總量。暫時(shí)硬度：指水中Ca2+、Mg2+與HC03-和C032-離子結(jié)合的硬度。永久硬度：指水中Ca2+、Mg2+與Cl-和S042-離子結(jié)合的硬度。定性分析項(xiàng)目——不固定,較經(jīng)常的有NO2-、NO3-、NH4+、Fe2+、Fe3+

、H2S、耗氧量等。第69頁(yè)，共79頁(yè)，2023年，2月20日，星期四全分析（并非分析水中的全部成分）：特點(diǎn)：項(xiàng)目較多，要求精度高，能較全面了解地下水化學(xué)成分做法：在簡(jiǎn)分析的基礎(chǔ)上選擇有代表性的水樣進(jìn)行全分析，并對(duì)簡(jiǎn)分析結(jié)果進(jìn)行檢核。定量分析的項(xiàng)目：

HCO3-、SO42-、Cl-、CO32-、NO2-、NO3-、Ca2+、Mg2+、K+、Na+、NH4+、Fe2+、Fe3+、H2S、CO2、耗氧量、pH值、干涸殘余物。第70頁(yè)，共79頁(yè)，2023年，2月20日，星期四專項(xiàng)分析