第二章 地下水的物理性質(zhì)及化學(xué)成分

第二章地下水的物理性質(zhì)及化學(xué)成分第1頁(yè)，課件共56頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第一節(jié)地下水的物理性質(zhì)第二章地下水的物理性質(zhì)及化學(xué)成分第二節(jié)地下水的化學(xué)成分第三節(jié)地下水化學(xué)成分的形成和變化

第四節(jié)地下水化學(xué)成分的研究方法第2頁(yè)，課件共56頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第一節(jié)地下水的物理性質(zhì)一、地下水的溫度二、地下水的顏色三、地下水的透明度四、地下水的嗅（氣味）

五、地下水的味（味道）六、地下水的比重地下水的物理性質(zhì)包括溫度、顏色、透明度、嗅、味、比重、導(dǎo)電性及放射性等。它在一定程度上反映了地下水的化學(xué)成分及其存在的環(huán)境條件。發(fā)揮人的感覺(jué)器官，相對(duì)應(yīng)：眼睛看一看（二，三），鼻子聞一聞（四），嘴巴嘗一嘗（五），觸覺(jué)體會(huì)一下溫度（一，六）等。第3頁(yè)，課件共56頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月一、地下水的溫度

水溫變化范圍可達(dá)100℃以上。在寒帶和多年積雪地帶，淺層的地下水溫可低達(dá)-5℃以下；在溫帶和亞熱帶的平原、丘陵區(qū)淺層地下水的年平均溫度一般接近于當(dāng)?shù)啬昶骄鶜鉁兀辉诨鹕交顒?dòng)地區(qū)及地殼深處，地下水的溫度很高，可超過(guò)100℃。如我國(guó)廣東豐良地區(qū)在地下800m深處，打出了103.5℃的熱水。地下水溫度的差異主要取決于地下水埋藏的地溫條件。按地溫的分布狀態(tài)分三帶：變溫帶、常溫帶、增溫帶

1）變溫帶位于地殼的最表層，其溫度變化受太陽(yáng)輻射熱的控制。本帶厚度各地不一，從十幾米到幾十米變化，一般為15～20m。特點(diǎn)具周期性變化：如晝夜變化、年變化及多年變化等。其溫度的變化幅度隨深度的增加而遞減。此帶地下水的溫度具有周期性日變化和季節(jié)變化的特點(diǎn)。第4頁(yè)，課件共56頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2）常溫帶指地溫的年變化幅度＜0.1℃的地帶。一般年常溫帶的溫度略高于當(dāng)?shù)啬昶骄鶜鉁?，在相?dāng)于海平面的地區(qū)約高0.8℃，在海拔200～500m的地區(qū)約高1～2℃。年常溫帶實(shí)質(zhì)上是太陽(yáng)輻射熱與地球內(nèi)熱共同影響的熱平均帶。此帶地下水的溫度表現(xiàn)為周期性年變化的特點(diǎn)，地下水溫度與當(dāng)?shù)啬昶骄鶜鉁叵嘟?，水溫變化幅度一般不超過(guò)1℃。深度與地表溫度的年變化幅度、巖石及土壤的物理性質(zhì)、水文地質(zhì)條件等因素有關(guān)。第5頁(yè)，課件共56頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3）增溫帶溫度受地球內(nèi)熱的影響?！愕兀疁仉S深度增加而增高。計(jì)算：水溫根據(jù)地溫梯度、年常溫帶深度及當(dāng)?shù)啬昶骄鶜鉁?，概算：?-1）式中TH—H深度處地下水的溫度，℃；t—當(dāng)?shù)啬昶骄鶜鉁?，℃；G—地溫梯度，℃/100m。一般值為1.5～4℃/100m；H—地下水循環(huán)深度，m；h—年常溫帶的深度，m?？煞辞蟪龅叵滤h(huán)的深度。

第6頁(yè)，課件共56頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月地溫梯度隨地區(qū)地質(zhì)條件的不同而不同，如淮南煤田潘集井田、邯邢煤田的梧東井田以及平頂山煤田等，經(jīng)大量鉆孔證實(shí)，背斜軸部地溫往往高于兩翼。如平頂山煤田在背斜軸部的平均地溫梯度為5～6℃/100m，向兩翼逐漸降低；梧東井田斷層上盤(pán)溫度低于斷層下盤(pán)，其地溫值受到斷層面的控制。不同地區(qū)的地溫梯度變化于0.6～10℃/100m之間。地下水的溫度對(duì)地下水的化學(xué)成分有很大影響。水溫增高，化學(xué)反應(yīng)速度和溶解度也增高。如水溫增高10℃時(shí)，水分子的擴(kuò)散速度約增加20％，化學(xué)反應(yīng)速度增加2～3倍。一般鹽類(lèi)在水中的溶解度隨溫度的增高而增大。過(guò)冷水

＜0℃冷水

0～20℃熱水

低溫?zé)崴?/p>

20～40℃中溫?zé)崴?/p>

40～60℃中高溫?zé)崴?0～80℃高溫?zé)崴?/p>

80～100過(guò)熱水低溫過(guò)熱水＞100℃高溫過(guò)熱水＞374℃按地下水的溫度分第7頁(yè)，課件共56頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月二、地下水的顏色

地下水一般是無(wú)色的水中含有成分呈現(xiàn)色澤H2S翠綠色含低鐵Fe2+淺綠灰色含高鐵Fe3+黃褐色或銹色硫細(xì)菌紅色錳的化合物暗紅色腐植酸暗或黑黃色帶熒光粘土無(wú)熒光的淡黃色懸浮物懸浮物本身的顏色第8頁(yè)，課件共56頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月三、地下水的透明度常見(jiàn)的地下水一般是透明的透明度取決于:固體與膠體懸浮物的含量。按透明度地下水分第9頁(yè)，課件共56頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月四、地下水的嗅（氣味）

一般地下水是無(wú)嗅的含氣體或有機(jī)質(zhì)具特殊的氣味H2S腐蛋味含低鐵Fe2+鐵腥味有機(jī)質(zhì)魚(yú)腥臭味腐植質(zhì)沼澤味“氣味”的強(qiáng)弱與溫度有關(guān)，鑒別氣味時(shí)，一般將水加熱至40℃，這時(shí)氣味最為顯著。低溫時(shí)氣味不易嗅別

第10頁(yè)，課件共56頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月五、地下水的味（味道）

水中含鹽分（各種物質(zhì)，礦化度）過(guò)低時(shí)水淡而無(wú)味，過(guò)多時(shí)水不適口。水中含有化學(xué)成分味道NaCl咸味Na2SO4澀味MgCl2、MgSO4苦味鐵較多鐵銹味CO2水味清涼可口第11頁(yè)，課件共56頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月六、地下水的比重

地下水的比重近于1：取決于水中所含鹽分的多少。當(dāng)水中溶解了較多的鹽分時(shí)，比重可達(dá)1.2～1.3。地下水的導(dǎo)電性及放射性：導(dǎo)電性取決于含電解質(zhì)的數(shù)量與性質(zhì)（即各種離子的含量與離子價(jià)），離子含量越多，離子價(jià)越高，則水的導(dǎo)電性就越強(qiáng)。放射性取決于其中放射性物質(zhì)的含量，地下水不同程度上或多或少地都具有放射性，但其含量一般極微，循環(huán)于放射性礦床的地下水其放射性相應(yīng)增強(qiáng)。第12頁(yè)，課件共56頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第二節(jié)

地下水的化學(xué)成分一、地下水的化學(xué)成分60多種二、地下水的化學(xué)性質(zhì)（一）地下水中的主要離子成分7（二）地下水中的主要?dú)怏w成分（三）地下水中的膠體成分（四）地下水中的有機(jī)質(zhì)及細(xì)菌成分1.地下水的酸堿性ph2.地下水的總礦化度M3.地下水的硬度4.地下水的侵蝕性第13頁(yè)，課件共56頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1氯離子（Cl-）2硫酸根離子（SO42-

）3重碳酸根離子（HCO3-）4鈉離子（Na+）5鉀離子（K+）6鈣離子（Ca2+）7鎂離子（Mg2+）.常見(jiàn)的離子成分

第14頁(yè)，課件共56頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月（一）地下水中的主要離子成分Cl-、SO42-、HCO3-、K+、Na+、Ca2+、Mg2+這七種，占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)其決定地下水化學(xué)成分的基本類(lèi)型和特點(diǎn)。1.氯離子（Cl-）分布很廣，含量變化大，數(shù)mg/L至數(shù)百mg/L。源于巖鹽礦床和其它含氯化物的沉積巖的溶解，其次來(lái)源于巖漿巖的一些含氯礦物如氯磷灰石（Ca5(PO4)3Cl）、方鈉石（NaAISiO4NaCl）等礦物的風(fēng)化溶濾。此外廢水、污水的滲入，動(dòng)物排泄物和動(dòng)物尸體腐爛一般在居民點(diǎn)、工業(yè)區(qū)及其附近，地下水中Cl-含量往往相應(yīng)增高。第15頁(yè)，課件共56頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.硫酸根離子（SO42-）

SO42-分布較廣，含量較多，幾mg/L至數(shù)十mg/L來(lái)源：SO42-源于石膏及其它含硫酸鹽的沉積物的溶解，

其次源于天然硫及含硫礦物（如黃鐵礦等）的氧化：

2FeS2+7O2+2H2O→2FeSO4+4H++2SO42-

2S+3O2+2H2O→4H++2SO42-此外，有機(jī)物的分解。在居民點(diǎn)附近地下水中的SO42-含量較高，常常與地下水的污染有關(guān)。第16頁(yè)，課件共56頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3.重碳酸根離子（HCO3-）

HCO3-分布廣，含量不高，一般＜1g/L。HCO3-是低鹽量地下水的主要成分。來(lái)源:碳酸鹽類(lèi)如石灰?guī)r、白云巖或泥灰?guī)r的溶解：

CaCO3+H2O+CO2→Ca2++2HCO3-

CaMg（CO3）2+2H2O+2CO2→Ca2+

+Mg2++4HCO3-

陰離子中，由于氯化物的溶解度大，CI-含量隨地下水中含鹽量的增加而增大；而碳酸鹽的溶解度很低，只有當(dāng)水中存在CO2時(shí)才較易溶于水，所以HCO3-的含量一般不高?；谶@個(gè)原因，常常將Cl-、HCO3-作為地下水含鹽量多寡的標(biāo)志。以Cl-

為主要成分的地下水，其含鹽量較高，為咸水；以HCO3-為主要成分的地下水，其含鹽量較低，為淡水。第17頁(yè)，課件共56頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月4.鈉離子(Na+)

分布很廣，含量變化大，數(shù)mg/L至數(shù)十g/L，具有隨地下水含鹽量增高而增加的特點(diǎn)。Na+主要來(lái)源于巖鹽及含鈉鹽的海相沉積巖的溶解，其次來(lái)自巖漿巖、變質(zhì)巖中含鈉礦物的溶解和氧化，如鈉長(zhǎng)石（NaAlSi3O8）的風(fēng)化：

2NaAlSi3O8＋2H2O＋CO2→H2Al2Si2O8·H2O＋Na2CO3＋4SiO2

Na2CO3＋H2O→2Na+＋HCO3-＋OH-Na+在水中主要與Cl-伴存，有時(shí)也與SO42-及CO32-伴存。第18頁(yè)，課件共56頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月5.鉀離子（K+）

K+

的來(lái)源與Na+相同。鉀鹽的溶解度很大，但含量卻不高，常為Na+含量的4～10％，這是因?yàn)镵+易被植物吸收，易被粘土膠體吸附，同時(shí)還易生成不溶于水的次生礦物（如水云母）的緣故。

6.鈣離子（Ca2+）

Ca2+分布很廣，絕對(duì)含量不高，是含鹽量低的地下水中的主要成分。主要來(lái)源于碳酸鹽類(lèi)巖石（如石灰?guī)r、白云巖）及含石膏巖石的溶解，Ca2+在水中常與HCO3-及SO42-伴存。第19頁(yè)，課件共56頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月7.鎂離子（Mg2+）

Mg2+分布廣，但絕對(duì)含量不高。Mg2+主要來(lái)源于白云巖的溶解以及巖漿巖、變質(zhì)巖中含鎂礦物的風(fēng)化：

MgSiO3（頑火輝石）+H2O+CO2

→MgCO3+H2SiO3

MgCO3+H2O+CO2→Mg2++２HCO3-鎂鹽的溶解度大于鈣鹽，Mg2+常少于Ca2+因?yàn)殒V在地殼中的含量較鈣少，同時(shí)鎂又易為植物吸收，并參與許多硅酸生成的緣故

第20頁(yè)，課件共56頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月（二）地下水中的主要?dú)怏w成分

地下水中的主要?dú)怏w成分有O2、N2、CO2、H2S及CH4等。O2、N2主要來(lái)源大氣及含葉綠素細(xì)菌的生物活動(dòng).因此在近地表的地下水中，O2、N2含量較大，越往深處，其含量越小。H2S、CH4通常是在缺氧的條件下（如封閉的地質(zhì)構(gòu)造中），當(dāng)有機(jī)物存在時(shí)的生物化學(xué)還原作用的產(chǎn)物。H2S、CH4常見(jiàn)于深層地下水中，在油田水中其含量往往較高。CO2來(lái)源復(fù)雜，1）大氣，2）土壤的生物化學(xué)作用生成。3）在火山或巖漿活動(dòng)地帶，碳酸鹽遇熱分解，生成：

CaCO3

→CaO+CO2↑水中氣體成分的不同能反映地下水成因。如水中氣體以O(shè)2及N2為主，說(shuō)明是以大氣降水滲入補(bǔ)給形成；水中含CH4、H2S較多，說(shuō)明儲(chǔ)存于封閉的地質(zhì)構(gòu)造中。在水文地球化學(xué)環(huán)境的研究過(guò)程中，地下水中溶解氧的研究有很大意義，含溶解氧多的地下水說(shuō)明其處于氧化環(huán)境，含H2S多的水說(shuō)明其處于缺氧的還原環(huán)境。第21頁(yè)，課件共56頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

（三）地下水中的膠體成分

地下水中膠體成分雖然很多，但由于許多膠體不穩(wěn)定，易生成次生礦物而沉淀（如Aｌ(OH)3膠體易生成水礬土、葉臘石沉淀），有的膠體溶解度很?。ㄈ鏢iO2），故一般膠體在地下水中含量很低。地下水中的膠體成分主要來(lái)源于有關(guān)礦床的風(fēng)化分解。（四）地下水中的有機(jī)質(zhì)及細(xì)菌成分有機(jī)質(zhì)及細(xì)菌成分很廣，淺層、深層地下水（尤其在油田水）中。主要來(lái)源于生物遺體的分解，它多富集于土壤及沼澤水中，呈黃色、褐色或灰黑色，并有特殊嗅味。細(xì)菌可分為病源菌和非病源菌。病源菌一般來(lái)自污染，其中最常見(jiàn)的是傷寒、霍亂、痢疾等，它們不易分離鑒定，因此，常以檢查與這些病源菌共生的大腸桿菌，來(lái)間接鑒定病源菌的存在及其數(shù)量。非病原細(xì)菌，如脫硫細(xì)菌，硫磺細(xì)菌等，它們生存于一定的地球化學(xué)環(huán)境中，通過(guò)生物化學(xué)作用，影響地下水化學(xué)成分的變化。第22頁(yè)，課件共56頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月二、地下水的化學(xué)性質(zhì)包括水的酸堿性、礦化度、硬度、侵蝕性等。1.地下水的酸堿性:取決于水中H+

濃度。pH值圖2-1水中CO2、HCO3—、CO32—與pH值的關(guān)系地下水分類(lèi)pH值強(qiáng)酸性水＜5弱酸性水5～7中性水=7弱堿性水pH=7～9強(qiáng)堿性水＞9從圖中可以看出pH值不同，水中碳酸量也不同。隨pH值增高，水中HCO3-含量增大，CO2含量減小。但當(dāng)pH＞8時(shí)，隨pH值增高水中HCO3-含量減小，而CO2含量卻增高。第23頁(yè)，課件共56頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.地下水的總礦化度地下水中離子、分子和各種化合物的總量稱(chēng)為總礦化度。以g/L表示,它表示水中含鹽量的大小。測(cè)量:通常以在105～110℃溫度下將水蒸干后所得的干涸殘余物含量來(lái)表示水的總礦化度。計(jì)算：也可以用離子、化合物總含量計(jì)算，但在計(jì)算時(shí)，HCO3-只能采用半數(shù)，這是因?yàn)樗舾珊笠徊糠諬CO3-分解，逸出之量相當(dāng)于HCO3-之量的一半：

2HCO3-

→CO32-+CO2↑+H2O地下水的礦化度與化學(xué)成分有密切關(guān)系，低礦化水常以HCO3-

為主要成分，高礦化水常以Cl-

為主要成分。此外，礦化度常隨含水層埋藏深度的增加而增大。M分類(lèi)M值低礦化水（淡水＜1g/L弱礦化水（微咸水1～3g/L中等礦化水（半咸水3～10g/L高礦化水（咸水10～50g/L鹵水＞50g/L第24頁(yè)，課件共56頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3.地下水的硬度地下水的硬度是由水中所含Ca2+、Mg2+量所構(gòu)成?？傆捕龋合喈?dāng)于水中所含Ca2+、Mg2+總量。暫時(shí)硬度：將水加熱至沸騰，水中的部分Ca2+、Mg2+將與HCO3-作用生成CaCO3、MgCO3沉淀，使水中Ca2+、Mg2+含量減少：

Ca2++2HCO3-→CaCO3↓+CO2↑+H2OMg2++2HCO3-

→MgCO3↓+CO2↑+H2O減少的這部分Ca2+、Mg2+的含量，稱(chēng)為暫時(shí)硬度。永久硬度：水中與SO42-

、Cl-等離子相對(duì)應(yīng)的Ca2+、Mg2+的含量，這部分含量在水加熱至沸騰時(shí)也不發(fā)生沉淀。關(guān)系:永久硬度＝總硬度－暫時(shí)硬度碳酸鹽硬度：水中與HCO3-相對(duì)應(yīng)的Ca2+、Mg2+的含量。水的碳酸鹽硬度往往大于暫時(shí)硬度，因?yàn)榧词乖谒序v時(shí)，水中HCO3-不可能全部同Ca2+、Mg2+發(fā)生作用而形成沉淀。第25頁(yè)，課件共56頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月德國(guó)度表示法，Ca2+、Mg2+毫克數(shù)表示法Ca2+、Mg2+毫克當(dāng)量百分?jǐn)?shù)表示法。概念：一個(gè)德國(guó)度相當(dāng)于10mg/L的CaO含量，或7.1mg/L的Ca2+含量，或4.3mg/L的Mg2+含量。關(guān)系：1毫克當(dāng)量的硬度＝2.8德國(guó)度硬度分類(lèi)毫克當(dāng)量/L極軟水＜1.5軟水1.5～3.0微硬水3.0～6.0硬水6.0～9.0極硬水＞9.0地下水硬度的表示方法和分類(lèi)第26頁(yè)，課件共56頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月4.地下水的侵蝕性指水對(duì)碳酸鹽類(lèi)物質(zhì)（如石灰?guī)r、混凝土）的侵蝕能力。分為碳酸性侵蝕（分解性侵蝕）、硫酸性侵蝕（結(jié)晶性侵蝕）及鎂化性侵蝕。1）碳酸性侵蝕主要取決于水中侵蝕性CO2的存在及其含量的多少。水中含有游離CO2，當(dāng)與碳酸鹽類(lèi)物質(zhì)接觸時(shí)，發(fā)生化學(xué)反應(yīng)：CaCO3+H2O+CO2→Ca2++2HCO3-這是一個(gè)可逆反應(yīng)。當(dāng)水中有一定數(shù)量的HCO3-存在時(shí)，就必須有一定數(shù)量的溶解于水的CO2與之平衡。凡是溶解于水中的CO2

，稱(chēng)為游離CO2

。如果游離CO2的含量能使上述反應(yīng)式既不向左也不向右進(jìn)行，即反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí)，這時(shí)的CO2

稱(chēng)為平衡CO2

；如果水中的游離CO2

含量超過(guò)平衡CO2

時(shí)，上述反應(yīng)就要向右進(jìn)行，即當(dāng)遇到CaCO3物質(zhì)時(shí)，就要發(fā)生溶解，而使水中HCO3-增加，以趨達(dá)到新的反應(yīng)平衡。因此，水中超過(guò)平衡量的那一部分CO2，其中要有一部分用于新增加的HCO3-的平衡，而另一部分CO2

則消耗于對(duì)碳酸鹽的溶解這被消耗的CO2稱(chēng)為侵蝕性CO2。地下水中有一定量的侵蝕CO2存在，水便具有侵蝕性。水中侵蝕性CO2含量一般用實(shí)測(cè)方法確定也可從圖2-2中查出近似值。第27頁(yè)，課件共56頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月水中侵蝕性CO2與游離CO2含量關(guān)系第28頁(yè)，課件共56頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2）硫酸性侵蝕當(dāng)SO42-含量大的水滲入碳酸鹽類(lèi)物質(zhì)中時(shí)，便產(chǎn)生硫酸性侵蝕。它是由于SO42-

與碳酸鹽物質(zhì)中的一些組份發(fā)生化學(xué)作用形成結(jié)晶的硫酸鹽，在這種新的化合物形成過(guò)程中，體積膨脹，從而對(duì)碳酸鹽類(lèi)物質(zhì)產(chǎn)生破壞：4CaO·Al2O3·12H2O+3CaSO4·nH2O→3CaO·Al2O3·3CaSO4·30H2O+Ca(OH)2(杰瓦鹽)石膏是形成“杰瓦鹽”的中間產(chǎn)物。在“杰瓦鹽”的形成過(guò)程中，其體積成倍增大，對(duì)碳酸鹽巖或混凝土起著破壞作用。3）鎂化性侵蝕水中含有大量Mg2+時(shí)，將產(chǎn)生鎂化性侵蝕。含有大量鎂鹽（如MgCl2）的水，對(duì)水泥的破壞表現(xiàn)為MgCl2與混凝土中結(jié)晶的Ca(OH)2起交替反應(yīng)，結(jié)果形成Mg(OH)2和易溶于水的CaCl2而破壞混凝土。此外，當(dāng)水中含有大量的O2、H2S，且pH值較低時(shí)，對(duì)金屬鐵管有較強(qiáng)的腐蝕作用。第29頁(yè)，課件共56頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

第三節(jié)

地下水化學(xué)成分的形成和變化第30頁(yè)，課件共56頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

地下水的化學(xué)成分是極為復(fù)雜的。不同成因的地下水，其原始成分不同。同一成因的地下水，由于后期循環(huán)過(guò)程中地質(zhì)條件的不同，可使其成分發(fā)生各種不同的變化。可分三部分

一、不同成因地下水的原始化學(xué)成分二、地下水化學(xué)成分的形成與變化作用三、影響地下水化學(xué)成分形成的因素第31頁(yè)，課件共56頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月地下水的成因有滲入、凝結(jié)、埋藏等。地下水源于：大氣降水滲入或水汽凝結(jié)的：原始成分繼承滲入或凝結(jié)水源的基本特點(diǎn)，一般M都較低，且富含O2、N2、CO2等氣體；地表水滲入的地下水與地表水成分特點(diǎn)相近似，它可以近似河、湖淡水而富含HCO3-成為低礦化水，可以近似海水而富含Cl-成為高礦化水；古沉積盆地中的埋藏水，其化學(xué)成分與海、湖水相近，由Cl-、Na+

組成其主要離子，并含有Br、B、I等微量元素。后來(lái)地質(zhì)變質(zhì)，比現(xiàn)代海水M更高（達(dá)數(shù)百g/L,現(xiàn)代海水常35g/L），微量元素也較高，長(zhǎng)期封閉的還原環(huán)境，SO42-極少，而H2S含量增高。Ca2+含量較多；巖漿分異及巖石變質(zhì)分解的水，研究不多，僅根據(jù)間歇泉觀察，知溫度高，礦化度低，富含Si，B，F(xiàn)等微量元素，及CO2、H2、CH4、H2S、NH3等氣體。第32頁(yè)，課件共56頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月地下水化學(xué)成分的形成與變化作用1.水與巖石的相互作用2.地下水在自然環(huán)境中的物理、化學(xué)作用3.地下水中微生物與有機(jī)質(zhì)的生物化學(xué)作用1）溶濾作用

2）陽(yáng)離子的交替吸附作用

第33頁(yè)，課件共56頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1）溶濾作用是巖石中的一部分物質(zhì)進(jìn)入水中的作用。最基本作用。它破壞礦物結(jié)晶格架而使一部分元素進(jìn)入水中；對(duì)巖石，它將可溶部分帶走溶濾與溶解的區(qū)別：溶解是全部物質(zhì)進(jìn)入水中，溶濾是部分物質(zhì)進(jìn)入水中。廣義來(lái)說(shuō)，溶濾作用包括溶解作用。在風(fēng)化殼中最廣。地下水交替循環(huán)強(qiáng)烈，溶濾作用的地下水成分，與地下水的周?chē)橘|(zhì)——巖石的性質(zhì)關(guān)系密切。如石灰?guī)r區(qū)地下水多為低礦化的HCO3-Ca型水；花崗巖往往是HCO3-Na型水；富含石膏的沉積巖中的地下水SO42-及Ca2+含量常常較高；火山地區(qū)的地下水中F、B、Li等微量元素含量明顯增高；在有金屬硫化礦床的地帶，地下水中SO42-含量較高，且常含有某些金屬元素，如Cu、Pb、Zn、Si、Ni等。這些金屬元素在水中往往成為“水暈”，?？梢該?jù)此找到這些原生礦床。第34頁(yè)，課件共56頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月根據(jù)各種鹽類(lèi)在蒸餾水中的溶解度，可將化合物劃分為以下幾類(lèi)：

（1）極易溶解的（極易帶出的）化合物屬于這類(lèi)的有K和Na的鹵化物、硫酸鹽、碳酸鹽、氟酸鹽、硅酸鹽和硼酸鹽等。

（2）溶解的（可帶出的）化合物屬于此類(lèi)的有Ca、Mg、Ni、Zn、Fe、Mn、、Cu的鹵化物和重碳酸鹽類(lèi)。

（3）難溶解的（帶出微弱的）化合物屬于此類(lèi)的有Sr的硫酸鹽，Ba、Sr、Zn、Ag的碳酸鹽和SiO2。（4）最難溶的（活動(dòng)性小的）化合物屬于此類(lèi)的有Pb、Cu、Ba的碳酸鹽，Zn、Cu、Mg的硅酸鹽及AgCl等。（5）不溶解的（穩(wěn)定的）化合物屬于此類(lèi)的有Fe、Mn、Ti、Co的氫氧第35頁(yè)，課件共56頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月地下水所處的環(huán)境（溫度、壓力）各處是不同的。

元素從風(fēng)化殼巖石中被水帶出的能力，可用水遷移系數(shù)（Kx）來(lái)衡量。水遷移系數(shù)是指元素在水中的干涸殘?jiān)暮颗c這種元素在該區(qū)域巖石中含量之比。Kx值越大，說(shuō)明元素在風(fēng)化殼中被帶出的能力越強(qiáng)。從表2-1可清楚地看出，Cl、S最易從風(fēng)化殼中被水帶出，Ca、Mg、Na、F次之，Si、Ni、Cu、Co、Mo、Mn較弱，最弱是Fe、Al、Ti、Sc、Zr等，它們以溶解的狀態(tài)遷移的能力很弱，甚至不遷移。第36頁(yè)，課件共56頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月元素遷移系列水遷移系數(shù)值10001001010.10.010.001最易帶出的Cl，Br，I，S易帶出的Ca，Mg，Na，F(xiàn)(Sr，K，Zn)活動(dòng)的Cu，Ni，Co，Mo(?)，V(?)，Mn，Si，P惰性或完全不活動(dòng)的Fe，Al，Ti，Sc，Z，rHf，Nb，Ta，Rn，Re，Ir，Pb，Sn上述元素在風(fēng)化殼中以水溶液的形式進(jìn)行遷移的性質(zhì)，還決定于地質(zhì)條件及氣候條件。如一些極難溶的金屬硫化物，在地質(zhì)歷史進(jìn)程中由于長(zhǎng)期的物理化學(xué)作用的結(jié)果，使其發(fā)生氧化形成硫酸鹽類(lèi)，而變得易于遷移；又如在沼澤地區(qū)，F(xiàn)e、Mn就很容易從風(fēng)化殼中浸出，使水中Fe、Mn含量增高，因此上述系列在不同條件下是可以改變的。第37頁(yè)，課件共56頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2）陽(yáng)離子的交替吸附作用土壤和巖石表面常帶負(fù)電荷，吸附陽(yáng)離子，水中的離子與巖、土表面吸附的離子之間，常發(fā)生互相置換，從而改變地下水成分和性質(zhì)，這種作用稱(chēng)為陽(yáng)離子交替吸附作用（又稱(chēng)膠體吸附作用）。交替吸附作用的強(qiáng)弱，取決于巖、土對(duì)離子吸附能力的強(qiáng)弱以及水中離子成分、濃度和離子價(jià)的大小。巖、土吸附能力的強(qiáng)弱與其比表面積大小相對(duì)應(yīng)。顆粒越細(xì)小，則比表面積越大，其吸附能力越強(qiáng)；水中離子濃度越大，越易被吸附；離子價(jià)越高，越易被吸附。離子被吸附的能力強(qiáng)弱順序如下：

Fe3+＞A13+＞Ba2+＞Ca2+＞Mg2+＞K+＞Na+Ca2+的吸附能力大于Na+，常見(jiàn)地下水中的Ca2+交替吸附在巖石顆粒表面的Na+：Ca2+（水中）＋2Na+（吸附的）→2Na+（水中）＋Ca2+（吸附的）第38頁(yè)，課件共56頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.地下水在自然環(huán)境中的物理、化學(xué)作用在溫度、壓力及地質(zhì)構(gòu)造等因素的影響下，發(fā)生蒸發(fā)濃縮、脫碳酸、混合作用1）蒸發(fā)濃縮作用在干旱、半干旱地區(qū)潛水，如我國(guó)西北、華北、東北地區(qū)發(fā)育的鹽堿土，淺層地下水的水分，在太陽(yáng)輻射熱能下升溫蒸發(fā)，水溶液逐漸濃縮。鈣的碳酸鹽溶解度低，達(dá)到飽和沉淀析出，M逐漸增高。低M的HCO3-Ca型演化成中M的SO4-Ca型，最后為高M(jìn)的Cl·SO4-Na型水。蒸發(fā)濃縮引起地下水化學(xué)成分演變，在時(shí)間和空間上是連續(xù)的。礦化度逐漸增高，易溶鹽類(lèi)逐漸在水中富集，某些鹽類(lèi)從水中沉淀析出系列見(jiàn)圖2-3。同時(shí)，水中的一些重金屬元素如Fe、Zn、Cu及一些微量元素如F、Br、I、Li等含量也明顯增高。第39頁(yè)，課件共56頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月圖2-3蒸發(fā)時(shí)從水溶液中沉淀連續(xù)析出系列蒸發(fā)濃縮作用深度不超過(guò)年常溫帶的深度。但地下水的活動(dòng)及化學(xué)元素的擴(kuò)散作用，影響深部地下水。如常溫帶以下，地溫增高，地下水受熱汽化，提高地下水的化學(xué)成分濃度，汽化的水沿裂隙上升，形成低礦化水第40頁(yè)，課件共56頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2）混合作用兩種以上成分不同的地下水相遇后，其化學(xué)成分和礦化度都發(fā)生了變化，這種作用稱(chēng)為混合作用。如在海岸、河岸、深部鹵水、熱水及礦泉出露的地方以及各含水層之間發(fā)生互補(bǔ)時(shí)，在人為因素灌溉水的滲入、在海岸附近開(kāi)采淡水引起海水侵入等。

各種水混合時(shí)：簡(jiǎn)單的物理混合，或是化合的化學(xué)反應(yīng)。當(dāng)參與混合的兩種水中鹽類(lèi)的陰、陽(yáng)離子的引力大致相等時(shí)，離子之間在碰撞過(guò)程中，就不會(huì)形成新的內(nèi)聚力比原有鹽類(lèi)大的化合物，這時(shí)只有簡(jiǎn)單的混合；當(dāng)參與混合的水中離子的引力不平衡，則可產(chǎn)生新的化合物。不同礦化度的水混合時(shí)，簡(jiǎn)單混合與反應(yīng)混合常同時(shí)并存，還可能伴有其它作用，如交替吸附作用等，使混合物的成分變得復(fù)雜。第41頁(yè)，課件共56頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3.地下水中微生物與有機(jī)質(zhì)的生物化學(xué)作用指有細(xì)菌參與的一些氧化還原作用。在強(qiáng)烈的還原條件下，脫硫細(xì)菌可使硫酸還原成H2S氣體，使水中SO42-

減少，HCO3-

增加，即發(fā)生脫硫酸作用：SO42-＋2C＋2H2O→H2S＋2HCO3-

在缺氧并有有機(jī)質(zhì)存的封閉地質(zhì)構(gòu)造（如儲(chǔ)油構(gòu)造）中。在氧化環(huán)境中，喜氧的細(xì)菌（如硫磺細(xì)菌）能使H2S及S氧化成硫酸：2H2S＋O2→2H2O＋2S2S＋3O2＋2H2O→4H+＋2SO42-3）脫碳酸作用

碳酸鹽類(lèi)，當(dāng)溫度升高或壓力減小時(shí)，水中CO2從水中逸出，水中的HCO3-與Ca2+、Mg2+結(jié)合形成沉淀，這種使水中HCO3-含量（同時(shí)也是Ca2+、Mg2+含量）減少的作用稱(chēng)為脫碳酸作用。如某些泉附近的鈣華沉積，石灰?guī)r溶洞中的石鐘乳、石筍等的形成均與這種作用有關(guān)。溶解度取決于水中所含CO2的數(shù)量第42頁(yè)，課件共56頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月三、影響地下水化學(xué)成分形成的因素形成和改變地下水化學(xué)成分的作用能否進(jìn)行及強(qiáng)度取決于地下水存在的環(huán)境條件。即地質(zhì)條件、自然地理?xiàng)l件及人類(lèi)和微生物活動(dòng)。1.地質(zhì)條件

指巖性及地質(zhì)構(gòu)造。巖性對(duì)溶濾作用的影響明顯，地下水，一定含有與圍巖巖性相似的成分。

在開(kāi)放的隆起構(gòu)造區(qū)，形成氧化環(huán)境，溶濾作用；在封閉的向斜構(gòu)造盆地中，地下水交替遲緩，鹽分易于聚集，礦化度增加，利于脫硫酸作用；在構(gòu)造變動(dòng)劇烈的地帶，往往發(fā)育深大斷裂和構(gòu)造破碎帶，它們不僅影響著水的交替，同時(shí)也能將淺部地下水與深部地下水溝通，促使混合作用的形成和發(fā)展。第43頁(yè)，課件共56頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.自然地理?xiàng)l件

1）氣候因素蒸發(fā)和降水對(duì)溶濾作用、蒸發(fā)濃縮及生物化學(xué)作用均影響。

2）水文因素地表水與地下水補(bǔ)給關(guān)系

3)地形因素地形的起伏影響地下水的交替強(qiáng)度，影響地下水的化學(xué)成分。在切割強(qiáng)烈的山區(qū)，地下水徑流條件好、大，利于溶濾作用，溶濾出來(lái)的化學(xué)成分又能很快被水帶走，低M的HCO3－型水。在地勢(shì)平坦或較低洼的地帶，鹽分堆積，M較高。4)生物作用動(dòng)物排泄物中的Cl-、植物分泌有機(jī)酸等第44頁(yè)，課件共56頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3.人類(lèi)的活動(dòng)人類(lèi)利用和改造自然的過(guò)程中，影響很大灌溉不當(dāng)時(shí)，過(guò)多的地下水滲入地下，抬高了地下水位，使蒸發(fā)作用加強(qiáng)，促使地下水發(fā)生濃縮作用；由于工業(yè)三廢（廢水、廢氣、廢渣）農(nóng)業(yè)大量施用化肥，使其中的有害元素和成分（如酚、氰、砷、汞、鋅、鉛、鉻、錳、銅、亞硝酸等）進(jìn)入土壤和水體，會(huì)使地下水化學(xué)成分發(fā)生改變；生活廢水及人類(lèi)的排泄物滲入地下進(jìn)入地下水中，也造成地下水化學(xué)成分的變化。在實(shí)際工作中，對(duì)于地下水化學(xué)成分形成、變化的認(rèn)識(shí)，應(yīng)分析水化學(xué)成分的特點(diǎn)與地下水的補(bǔ)給、徑流、排泄之間的聯(lián)系。同時(shí)地下水化學(xué)成分是自然歷史過(guò)程中的產(chǎn)物，因此必須研究自然地質(zhì)歷史環(huán)境（地質(zhì)、地貌的發(fā)展歷史），綜合分析才能正確認(rèn)識(shí)地下水化學(xué)成分形成的主導(dǎo)作用，并預(yù)測(cè)地下水化學(xué)成分的變化趨勢(shì)。第45頁(yè)，課件共56頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第四節(jié)地下水化學(xué)成分的研究方法

一、水質(zhì)分析取水樣1.簡(jiǎn)分析2.全分析3.專(zhuān)門(mén)分析二、水質(zhì)分析成果的表示方法1.離子毫克數(shù)表示法2.離子毫克當(dāng)量表示法3.離子毫克當(dāng)量百分?jǐn)?shù)表示法4.庫(kù)爾洛夫式表示法5.圖示法三、化學(xué)元素之間的比例系數(shù)在地下水化學(xué)成分研究中的意義四、思考題第46頁(yè)，課件共56頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1.簡(jiǎn)分析了解區(qū)域地下水化學(xué)成分的一般特征及其變化規(guī)律。特點(diǎn)是分析項(xiàng)目少，精度要求低，設(shè)備簡(jiǎn)單，分析速度快，可在野外就地進(jìn)行。簡(jiǎn)易水質(zhì)分析箱。簡(jiǎn)分析項(xiàng)目：除物理性質(zhì)以外，一般只測(cè)定地下水的主要成分如Ca2+、Mg2+、HCO3-、SO42-及pH值、總礦化度、總硬度等。通過(guò)計(jì)算求得水中K＋+Na＋含量，并定性分析水中NO3-、NO2-、NH4+、Fe3+、Fe2+、H2S及CO2等。為了檢查和校核簡(jiǎn)分析結(jié)果，可取一定數(shù)量的水樣作全分析。第47頁(yè)，課件共56頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.全分析全分析是在室內(nèi)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行的分析。不是對(duì)所有成分都分析，項(xiàng)目較全、精度高。除簡(jiǎn)分析項(xiàng)目外還包括：K+、Na+、Ca2+、Mg2+、NH4+、Fe2+、Fe3+、HCO3-、SO42-、Cl-、CO32-、NO2-、NO3-、pH值、H2S、CO2、總硬度、耗氧量、干涸殘余物、灼熱殘?jiān)?、懸浮物、可溶性硅酸H3SiO4等。第48頁(yè)，課件共56頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3.專(zhuān)門(mén)分析

專(zhuān)門(mén)分析是根據(jù)研究工作任務(wù)的目的要求而進(jìn)行的特定項(xiàng)目的分析。如為尋找飲用水時(shí)，須進(jìn)行細(xì)菌分析及有毒成分如As、Pb、F、Hg等項(xiàng)目的分析；在工程建設(shè)中，須對(duì)地下水進(jìn)行侵蝕性測(cè)定分析；尋找多金屬礦床時(shí)，要求進(jìn)行pH值、SO42-、Cl-及重金屬或稀有微量元素分析等。第49頁(yè)，課件共56頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月二、水質(zhì)分析成果的表示方法

有離子毫克數(shù)表示法、離子毫克當(dāng)量表示法、離子毫克當(dāng)量百分?jǐn)?shù)表示法、庫(kù)爾洛夫式表示法及圖示法等。1.離子毫克數(shù)表示法離子在水中的絕對(duì)含量（mg/L）2.離子毫克當(dāng)量表示法離子在水中的毫克當(dāng)量數(shù)來(lái)表示可以反映各種離子間的數(shù)量關(guān)系和化學(xué)性質(zhì)。計(jì)算：第50頁(yè)，課件共56頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3.離子毫克當(dāng)量百分?jǐn)?shù)表示法將1L水中陰、陽(yáng)離子的總數(shù)各以100％來(lái)計(jì)數(shù)。便于將不同地下水成分進(jìn)行比較。因陰、陽(yáng)離子是按等當(dāng)量化合的，陰離子的毫克當(dāng)量總數(shù)（∑r－）應(yīng)與陽(yáng)離子毫克當(dāng)量的總數(shù)（∑