地下水的化學(xué)成分及其形成作用省公開課金獎(jiǎng)全國(guó)賽課一等獎(jiǎng)微課獲獎(jiǎng)?wù)n件

第六章地下水化學(xué)成份及其形成作用水文地質(zhì)學(xué)基礎(chǔ)1/35第一節(jié)概述研究地下水化學(xué)成份意義：不一樣目標(biāo)利用地下水，對(duì)水質(zhì)有一定要求。處理水文地質(zhì)理論有很大作用。對(duì)說明成礦機(jī)理有很大意義。以下幾個(gè)作用可影響地下水化學(xué)成份：1、地下水與周圍巖石發(fā)生化學(xué)反應(yīng)；2、與大氣圈、水圈、生物圈進(jìn)行水量交換時(shí)，交換化學(xué)成份；3、人類活動(dòng)影響地下水化學(xué)成份?？傊?，地下水化學(xué)成份是地下水與環(huán)境以及人類活動(dòng)長(zhǎng)久相互作用產(chǎn)物。2/35第二節(jié)地下水化學(xué)特征一、地下水中主要?dú)怏w成份常見等，尤以前三種為主。氣體成份首先能說明地下水所處地球化學(xué)環(huán)境；另首先，有些氣體能夠增強(qiáng)水溶解鹽類能力，促進(jìn)一些化學(xué)反應(yīng)。3/35（一）O?、N?起源于大氣，隨大氣降水及地表水補(bǔ)給地下水，地下水中O?、N?較多，說明地下水以入滲補(bǔ)給為主，與大氣圈關(guān)系親密。溶解氧含量越多，說明地下水所處地球化學(xué)環(huán)境有利于氧化作用進(jìn)行。N?單獨(dú)存在，說明地下水處于封閉還原環(huán)境，（大氣起源）。4/35（二）H?S、CH?說明地下水處于還原環(huán)境，有有機(jī)質(zhì)存在，并有微生物參加了生物化學(xué)反應(yīng)，（三）CO?主要起源于土壤。1、有機(jī)殘骸發(fā)酵作用與植物呼吸作用使土壤中不停產(chǎn)生CO?溶入徑流土壤地下水中；2、含碳酸鹽類巖石，在深部高溫下，也可變質(zhì)生成CO?：地下水中CO?愈多，其溶解碳酸鹽能力越強(qiáng)。5/356/35二、地下水中主要離子成份七種：Na?、K?、Ca2?、Mg2?、Cl?、SO?2?、HCO??特點(diǎn)：（1）地殼中元素含量較多，且較易溶于水（Ca、Mg、Na、K）；（2）地殼中含量雖不很大，但極易溶于水元素（Cl、以SO?2?形式出現(xiàn)S）注意：這些離子與水中總?cè)芙夤腆w聯(lián)絡(luò)親密，相互對(duì)應(yīng)。低礦化水中：Ca2?、Mg2?、HCO??為主。中等礦化水種：Na?、Ca2?、SO?2?為主。高等礦化水種：Na?、Cl?為主。原因：氯鹽溶解度最大，硫酸鹽次之，碳酸鹽溶解度較小。7/351、Cl?起源：（1）巖鹽或其它氯化物溶解及海相沉積物種埋藏海水；（2）含氯礦物風(fēng)化；（3）海水；（4）火山噴物溶濾；（5）人為污染。特點(diǎn)：不為植物及細(xì)菌所攝取，不被土粒表面所吸附，不易沉淀析出，氯鹽溶解度大，是地下水中最穩(wěn)定離子。8/352、SO??2起源：（1）含石膏或其它硫酸鹽沉積巖溶解。其次天然硫，硫化物氧化使原來難溶于水S以SO??2形式大量進(jìn)入水中。2FeS2+7O2+2H2O=2FeSO4+4H++2SO4-2S+3O2+2H2O=4H++2SO4-

（2）化石燃料燃燒產(chǎn)生SO?（與氮氧化合物）氧化后并吸收水分后組成富含H?SO?及NNO?降雨—酸雨，從而使地下水中SO??2增加。

(3)有機(jī)物分解。3、HCO??起源：（1）碳酸巖鹽溶解；

（2）巖漿巖與變質(zhì)巖地域HCO??主要來自鋁酸鹽礦物風(fēng)化溶解。9/354、Na?起源：（1）沉積巖中巖鹽及其它鈉鹽溶解；（2）含鈉礦物風(fēng)化溶解；5、K?起源：（1）含鉀鹽類沉積巖溶解；（2）變質(zhì)巖、巖漿巖鹽中含鉀礦物風(fēng)化溶解。6、Ca?2起源：（1）碳酸鹽類沉積物及含石膏沉積物溶解；（2）巖漿巖、變質(zhì)巖中含鈣礦物風(fēng)化溶解。7、Mg?2起源：（1）碳酸鹽類沉積巖溶解；（2）巖漿巖、變質(zhì)巖中含鎂礦物風(fēng)化溶解。10/35三、地下水中其它成份1、離子：H?

、Fe?2

、Fe?3

、Mn?2

、NH??、OH?、NO??

、NO??

、CO??2

、SiO??2

、PO??32、微量元素：Br、I、F、B、Sr3、膠體：Fe(OH)?、Al(OH)?及H?SiO?等4、有機(jī)質(zhì)：有機(jī)質(zhì)存在，常使地下水酸度增加。5、微生物：氧化環(huán)境中存在硫細(xì)菌、鐵細(xì)菌；還原環(huán)境中存在脫硫細(xì)菌等；污水中各種致病細(xì)菌。11/35四、地下水總礦化度及化學(xué)成份表示式（一）TDS：1、概念：地下水中所含各種離子、分子與化合物總量稱總礦化度。2、表示：以每公升水中所含克數(shù)（mg/l）表示。3、測(cè)量：以105℃—110℃時(shí)將水蒸干所得干涸殘余物總量表示。12/35（二）化學(xué)成份表示式：庫(kù)爾洛夫式

1、依據(jù)水分析結(jié)果計(jì)算各離子參加化合摩爾濃度，各離子參加化合摩爾數(shù)量應(yīng)是離子電價(jià)與摩爾濃度之積。

2、計(jì)算各離子參加化合摩爾百分?jǐn)?shù)

某陰（陽(yáng)）離子摩爾百分?jǐn)?shù)（％）=×100％

3、將陰陽(yáng)離子分別按摩爾百分?jǐn)?shù)降序排列，摩爾百分?jǐn)?shù)大于10％者列入式中，小于10％這也可列入，但須加[].4、庫(kù)爾洛夫式表示格式以下：微量元素(g/l)氣體成份(g/l)礦化度(g/l)=T(℃)pH13/35第三節(jié)地下水溫度一、基礎(chǔ)知識(shí)1、地殼表層有兩個(gè)熱能起源：一個(gè)是太陽(yáng)輻射；另一個(gè)是來自地球內(nèi)部熱流。2、依據(jù)受熱影響，地殼表層可分為變溫帶、常溫帶及增溫帶。變溫帶是受太陽(yáng)輻射影響地表層帶，下限深度15—30m；變溫帶以下是一個(gè)厚度極小常溫帶，地溫普通比當(dāng)?shù)啬昶骄鶜鉁馗叱?-2℃，普通可將當(dāng)?shù)啬昶骄鶜鉁乜闯沙貛У販?。常溫帶以下受地球?nèi)部熱源影響，地溫隨深度加大而有規(guī)律地生高。地溫梯度，指每增加單位深度時(shí)地溫增值，地溫梯度大致范圍在1.5—4℃/100m，平均3℃/100m。但個(gè)別新火山活動(dòng)區(qū)能夠很高，如西藏羊八井地溫梯度為300℃/100m。14/35二、地下水溫度地下水溫度受其賦存與循環(huán)處所地溫控制：已知年均氣溫（t）、常溫帶深度（h）、地溫梯度（γ），可概略計(jì)算某一深度地下水溫，即：T=t+（H－h(huán)）·γ一樣，利用地下水溫（T），能夠推算出其大致循環(huán)深度（H），即：15/35第四節(jié)地下水化學(xué)成份形成作用一、溶濾作用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，這就是溶濾作用。溶濾作用結(jié)果是巖土失去了一部分可溶物質(zhì)，地下水則補(bǔ)充了新成份。1、溶濾作用強(qiáng)度影響原因（1）、組成巖土礦物鹽類溶解度溶解度越大，溶濾作用越強(qiáng)；16/35（2）、巖土空隙特征缺乏空隙巖土體，水難于和礦物鹽類充分接觸，溶濾作用微弱；（3）、水溶解能力①水對(duì)鹽溶解能力不是無(wú)限量，當(dāng)水中某鹽類含量到達(dá)其溶解度時(shí)，水對(duì)此鹽類便失去溶解能力，總體上說，低礦化水溶解能力強(qiáng)，而高礦化水溶解能力弱；②水中CO?、O?等氣體成份含量決定著一些鹽類溶解能力。17/35（4）、水流動(dòng)性停滯地下水，隨時(shí)間推移，水中溶解鹽類增多，CO?、O?等氣體耗失，最終將失去溶解能力；地下水流動(dòng)快速時(shí)，礦化度低，含CO?、O?大氣降水和地表水等水源便會(huì)不停入滲更新含水層中水，使地下水能夠保持較強(qiáng)溶解能力。2、溶濾作用特點(diǎn)（1）、溶濾作用越強(qiáng)，時(shí)間越長(zhǎng)，礦化度越低，水中以難溶離子為主要成份；（2）、氣候潮濕多雨、地質(zhì)結(jié)構(gòu)開啟性好、巖層導(dǎo)水能力強(qiáng)、地下水徑流與水交替快速地域，地下水礦化度越低。18/35二、濃縮作用溶濾作用將巖土成份溶于水中，地下水流動(dòng)又把這些物質(zhì)帶到排泄區(qū)。假如一個(gè)地域以蒸發(fā)為地下水主要排泄去路，就會(huì)發(fā)生濃縮作用。蒸發(fā)作用只排走水分，鹽分仍保留在余下水中，隨時(shí)間推延，地下水溶液逐步濃縮，礦化度不停增大，隨礦化度升高，溶解度較小鹽類在水中相繼到達(dá)飽和而沉淀析出，易溶鹽類離子逐步成為水中主要成份。19/351、產(chǎn)生條件（1）處于地下水排泄區(qū)因?yàn)橹挥兴丛床煌５叵蚰骋环秶┙o，才能從別處帶來大量鹽分，使之聚集。（2）干旱或半干旱氣候（3）地勢(shì)低平，巖土顆粒細(xì)小，水位埋深較淺20/35三、脫碳酸鹽作用當(dāng)溫度高或壓力降低時(shí)，水中CO?溶解度減小，一部分CO?從水中逸出，這便是脫碳酸作用。結(jié)果：地下水中HCO??、Ca?2、Mg?2降低，礦化度降低21/35四、脫硫酸作用當(dāng)在還原環(huán)境中，當(dāng)有有機(jī)質(zhì)存在時(shí)，若硫細(xì)菌能使SO??2還原為H?S：結(jié)果：水中SO??2降低，HCO??增加，pH值增大。22/35五、陽(yáng)離子交替吸附作用一定條件下，巖土顆粒將吸附地下水中一些陽(yáng)離子，而將其原來吸附部分陽(yáng)離子轉(zhuǎn)化為地下水中組分，這便是陽(yáng)離子交替吸附作用。產(chǎn)生原因：不一樣陽(yáng)離子其吸附于巖土表面能力不一樣。吸附能力大小次序：H?＞Fe?3＞Al?3＞Ca?2＞Mg?2＞K?＞Na?以含鈣為主地下水，進(jìn)入主要吸附有Na+巖土?xí)r，水中Ca?2便置換巖土所吸附一部分Na?，，使地下水中Na+增多，Ca?2降低。粘土及粘土巖類最易發(fā)生離子交換吸附，而在致密結(jié)晶巖中，實(shí)際上不發(fā)生這種作用。（巖土吸附能力取決于巖土比表面積，顆粒越細(xì)，比表面積越大，交替吸附作用能力越強(qiáng)）注；比表面積，單位體積多孔介質(zhì)內(nèi)全部顆?？偙砻娣e23/35六、混合作用成份不一樣兩種水混合在一起，形成化學(xué)成份與原來二者都不一樣地下水，這便是混合作用?；旌献饔媒Y(jié)果（1）發(fā)生化學(xué)反應(yīng)比如，當(dāng)以SO??2、Na?為主地下水與含有Ca?2、HCO??為主地下水混合時(shí)，地下水便形成以Na?、HCO??為主地下水。（2）不發(fā)生顯著化學(xué)反應(yīng)比如，當(dāng)高礦化NaCl海水混入低礦化重碳酸鈣、鎂型地下水中，基本上不產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，混合水礦化度與化學(xué)類型取決于參加混合兩種水成份及其混合百分比。24/35七、人類活動(dòng)1、人類活動(dòng)產(chǎn)生廢氣物污染地下水；2、人為作用大規(guī)模地改變了地下水形成條件，從而使其化學(xué)成份發(fā)生改變（過量開采地下水引發(fā)海水入侵、不合理引水澆灌輕易造成次生鹽堿化）25/35第五節(jié)地下水化學(xué)成份基本成因類型一、溶濾水富含CO?、O?滲透成因地下水，溶濾它所徑流巖土而取得其主要化學(xué)成份，這種水稱為溶濾水。溶濾水化學(xué)成份組成主要依靠溶濾作用，所以，其化學(xué)成份受巖性、氣候、地形等原因影響。絕大部分地下水屬于溶濾水。二、沉積水指與沉積物大致同時(shí)生成古地下水。河、湖、海相沉積物中水含有不一樣原始成份，在漫長(zhǎng)地質(zhì)年代中水質(zhì)又經(jīng)歷了一系列復(fù)雜改變，通常是一些高礦化咸水。26/35三、內(nèi)生水

20世紀(jì)初，曾把巖漿看作溫泉分異產(chǎn)物，以后發(fā)覺，在大多數(shù)情況下，溫泉是大氣降水滲透到深部加熱后重新升到地表形成。近年來，一些學(xué)者經(jīng)過對(duì)地?zé)嵯到y(tǒng)熱均衡分析得出，僅靠水滲透深部取得熱量無(wú)法解釋一些高溫水出現(xiàn)，認(rèn)為應(yīng)有10%—30%水來自地球深部圈層高熱流體加入，這么，源自地球深部圈層內(nèi)生水又逐步為人們所重視。但內(nèi)生水研究，至今尚不成熟。27/35第六節(jié)地下水化學(xué)成份分析內(nèi)容一、分析內(nèi)容1、地下水化學(xué)分析類別依據(jù)工作目標(biāo)與要求不一樣，分析項(xiàng)目與精度也不一樣，在普通水文地質(zhì)調(diào)查中，分為簡(jiǎn)分析和全分析，為了配合專門任務(wù)，則進(jìn)行專題分析。簡(jiǎn)分析用于了解區(qū)域地下水化學(xué)成份概貌，主要分析HCO??、SO??2、Cl?、Ca?2、總硬度、ｐH值。其目標(biāo)是為了初步了解水質(zhì)是否適于飲用。全分析用于全方面了解地下水化學(xué)成份。全分析并非分析水中全部成份，普通定量分析以下各項(xiàng)：HCO??、SO??2、Cl?、Ca?2、NO??、NO??、K?、Mg?2、Na?、NH??、Fe?3、Fe?2、H?S、CO?、耗氧量、pH值及干涸殘余物28/352、在進(jìn)行地下水化學(xué)分析同時(shí)，必須對(duì)相關(guān)地表水體取樣分析假如地表水體是地下水補(bǔ)給源，則地表水成份將影響地下水；假如地表水是地下水排泄去路，則地表水反應(yīng)了地下水化學(xué)改變最終止果。3、地下水化學(xué)分析結(jié)果表示地下水化學(xué)分析結(jié)果，將離子含量以毫克/升與毫克當(dāng)量/升表示。這么，水中離子含量能夠用毫克當(dāng)量/升及毫克當(dāng)量百分?jǐn)?shù)表示。毫克當(dāng)量百分?jǐn)?shù)分別以陰、陽(yáng)離子毫克當(dāng)量為100％，求各陰、陽(yáng)離子占毫克當(dāng)量百分比。29/35二、地下水化學(xué)分類與圖示1、舒卡列夫分類前蘇聯(lián)學(xué)者舒卡列夫依據(jù)地下水中六種主要離子（K＋合并于Na＋中）及礦化度劃分。含量大于25％毫克當(dāng)量陰離子和陽(yáng)離子進(jìn)行組合，共分成49型水，每型以一個(gè)阿拉伯?dāng)?shù)字作為代號(hào)。按礦化度又劃分為4組：A組礦化度小于1.5g/L，