地下水化学形成原因ppt课件.ppt

第7章 地下水的化学成分及其 形成作用,第1节 概述第2节 地下水的化学特征第3节 地下水的主要物理、化学性质 第4节 地下水化学成分的形成作用第5节 地下水化学成分的基本成因类型第6节 地下水化学成分分析及其图示,第1节 概述,问题： 1、地下水是否是纯水？ 2、除水（H2O）以外，地下水中还哪些成分？它们是如何形成的？这些成分对人类的生活、生产有何影响？ 3、研究地下水化学成分的意义,第1节 概述,1、地下水是否是纯水？ 地下水不是化学纯的 H2O，而是一种复杂的溶液。 赋存于岩石圈中的地下水，不断与岩土发生化学反应，并在与大气圈、水圈和生物圈进行水量交换的同时，交换化学成分。,2、除水（H2O）以外，地下水中还哪些成分？它们是如何形成的？这些成分对人类的生活、生产有何影响？ （1）地下水的化学成分是地下水与环境自然地理、地质背景以及人类活动长期相互作用的产物。 （2）水是最为常见的良好溶剂。它溶解岩土的组分，搬运这些组分，并在某些情况下将某些组分从水中析出。水是地球中元素迁移、分散与富集的载体。许多地质过程（岩溶、沉积、成岩、变质、成矿）都涉及地下水的化学作用。 （3）地下水含有对人体有害物质，作为饮用水危害人体健康。地下水具有特殊物理性质与化学成分的水具有医疗意义，对人体有益。 （4）地下水含大量盐类（如NaCl、KCl）或富集某些稀散元素（Br、I、B、Sr 等）的地下水是宝贵的工业原料。,3、研究地下水化学成分的意义 阐明地下水的起源、形成与分布规律； 阐明成矿机制，完善与丰富找矿理论 ；地下水质量评价。 （1）确定饮用水、工农业用水 （2）查明地下水水质污染源 （3）查明地下水的侵蚀能力 （4）确定含水层之间及与地表水间的水力联系 （5）揭示地下水的地质作用规律，实现水质找矿 （6）提取化工原料 （7）医疗用水、地方病,地下水中含有各种气体、离子、胶体物质、有机质以及微生物等。 组成地壳的87种元素，地下水中已发现70余种。一、主要的气体成分 常见的有O2、 N2、CO2、CH4 及 H2S 1、 氧（O2）、氮（N2） 主要来源于大气，以入渗补给为主。 2、硫化氢（H2S）、甲烷（CH4）主要与微生物参与的生物化学过程有关。 3、二氧化碳（CO2）主要来源于土壤，其次降水和地表水入渗补给。 在含碳酸盐类的岩石，在深部高温下，也可变质生成CO2。,第2节 地下水的化学特征,主要离子成分七种： Cl-、SO42-、HCO3-、Na+、K+、Ca2+和Mg2+。 形成以上主要离子成分的原因： （1）地壳中含量较高，且易溶于水：O2、Ca、Mg、Na、K （2） 地壳中含量不高，但极易溶于水：Cl-、SO42- （3） 地壳中含量很高，但难溶于水的，地下水中含量不高：Si、Al、Fe 主要离子成分与矿化度（总溶解固体）之间的对应关系： （1） 低矿化度：以 HCO3-、 Ca2+、Mg2+ 为主 （2）中矿化度： 以SO42-、 Na+、 Ca2+ 为主 （3）高矿化度： 以Cl-、 Na+为主 盐类溶解度： 氯盐 硫酸盐 碳酸盐 Ca2+、 Na+ Ca2+、Mg2+,二、主要离子成分,三、地下水中的其它成分 1、次要离子：如 H、Fe2+、Fe3+、Mn2+、NH4、OH-、NO2-、NO3- 、CO32-、SiO32-及PO43-等。 2、微量组分：Br、I、F、B、Sr等。 3、胶体：Fe（OH）3、A1（OH）3、H2SiO3等。 4、有机质: 常以胶体方式存在于地下水中，常使地下水酸度增加，并有利于还原作用。 5、微生物：在氧化环境中存在硫细菌、铁细菌等；在还原环境中存在脱硫酸细菌等；此外，在污染水中，还有各种致病细菌。,第3节 地下水的主要物理、化学性质,一、主要的物理性质： 色(color)、嗅(smell)、味(taste)、温度(temperature)、透明度(diaphaneity, transparency)、比重(specific weight)、导电性(conductance)、放射性(radioactivity)二、主要的化学性质： 总溶解固体、硬度、酸碱性 。 两者关系：物理性质往往是化学性质的外在表现。,1、 地下水颜色与其中物质关系表,2、 地下水的气味（嗅） 地下水一般无气味，若含有H2S气体，水有臭鸡蛋气味；含Fe2+，水有铁锈味，即“墨水味”；含腐殖质，有腐草味或淤泥臭味。 水中气味强弱与水温有关，常温时不显，若将水加热到4060时，气味显著。,一、主要的物理性质,地下水所含的盐类及引起味觉的最低含量,3、地下水的味道 一般淡而无味，若含较多的二氧化碳，水清凉可口；含碳酸钙、镁的水味美适口，称“甜水”；若含有较多的有机质或腐殖质，水有腻人的土甜味，不宜饮用；含硫酸钠的水味涩；含氯化镁、硫酸镁较多的水味苦，且可引起呕吐和腹泻。,味道的强弱取决于地下水的温度，常温时不显，若将水加热到2030时，味道显著。,4、地下水的透明度 一般是透明的，如煤矿矿井水含大量煤屑等悬浮物而呈不透明或半透明状。 （水的透明度分级表）确定水的透明度：,5、地下水的比重 取决于水中溶解盐类的数量。溶解的盐类越多，地下水的比重越大。一般地下水的比重接近于1。利用地下水的比重特征可以判别盐湖中盐类的沉积层位，便于分层位开采。6、 导电性 取决于水中溶解的电解质的数量和性质，即取决于各种离子的含量和离子价。离子含量越多，价数越高，则水的导电性越强。此外，温度也影响导电性。,7、水的放射性 取决于水中放射性物质的含量，大多数地下水都具有放射性，但其含量微弱。放射性矿床与酸性火成岩地区的地下水具有较高的放射性。利用水中放射性突然增强可以寻找放射性矿藏。,8、 温度 利用高温热水可以发电、取暖、灌溉，温泉水可用来医治疾病。 水温的变化是影响水的化学成分、水化学作用的重要因素。 水交替缓慢时温度与地温一致，并取决于：太阳辐射热能、地球内部热流 。 地壳按热力状态从上而下分为变温带、常温带和增温带。,常温带：是变温带以下一个极簿的地带。地温一般比当地年平均气温高出12，粗略计算时可视为当地的年平均气温。 增温带：受地球内部热流控制。随深度增加而温度升高。用地温梯度或地温增温率表示。,常温带深度12m，昼夜变化1030m，地温年变化只有0.1,变温带：受太阳辐射热能影响，呈昼夜变化与季节变化。昼夜变化只影响地表以下12m深度。变温带的下限为1530m。,1、总溶解固体（TDS）（矿化度） 地下水中所含种离子、分子与化合物的总量。(g/L） 习惯上以105 110时将水干所得的涸残余物总量。 因此（1） 计算时挥发性成分不计入； （2） HCO3-只取重量的半数 。 最好还是采用直接将化学分析所得全部离子量、分子量及化合物量相加的方法来计算。,地下水按TDS的分类表,二、主要的化学性质,2、硬 度 水中Ca2+、Mg2+的总含量。（meq/L） 德国度（H0）： 一个德国度相当于1升水中含有 10mgCaO或7.2mgMgO。 1meq硬度 = 2.8 H0 目前新的国标中以CaCO3含量（mg/L）表示。 分类 总硬度：水中Ca2+、Mg2+的总含量 。 暂时硬度：水煮沸时（脱碳酸作用），因形成碳酸盐沉淀而失去的一部分Ca2+、Mg2+含量 。 永久硬度：水煮沸后仍留在水中的Ca2+、Mg2+含量,计算 ： rCa2+Mg2+ rHCO3-时， 暂时硬度 = rHCO3- 永久硬度 = rCa2+Mg2+- rHCO3- rCa2+Mg2+ rHCO3-时， 总硬度 = 暂时硬度 = rCa2+Mg2+ 永久硬度 = 0 地下水按硬度分类：,硬度大的水：煮饭不易烧熟；洗衣时肥皂泡沫减少； 锅炉易形成锅垢，或因不均匀导热引起锅炉爆炸；影响印染、造纸等工业的质量。 适于作饮用水的硬度为4.29毫克当量/升,3、酸碱度,用氢离子浓度即pH值衡量, 即： pH-lg H+ pH值的测定一般用比色法进行，也可用试纸做简易测定。 地下水的pH值小于4时，对金属有剧烈腐蚀作用，矿井酸性水强烈腐蚀井下排水设备和管道，并污染环境。,含大量CO2的水、含有机酸的沼泽水、煤矿及金属硫化物矿区氧化带中的地下水，为酸性水。 岩浆岩、封闭的沉积盆地地下水、油田水，为碱性水。,一、地下水起源化学成分的特点 地下水的化学成分，具有一定的继承补给源的化学成分的特点。 1、起源于大气降水或凝结水： 补给区附近为矿化度低淡水，富含O2、N2、CO2及Ar等气体。 2、来源地表水: 与地表水成分相近，近河湖区，富含HCO3- 、SO42-；近海岸富含Cl-、Na+ 。 3、近海岸降水: Cl-、Na+含量高。 4、古沉积盆地的地下水: 矿化度很高，主要离子为Cl-、Na+，并含有较多的Br、I 等微量元素，具有古海水的特征，长期处于封闭的环境中，H2S含量高。,第4节 地下水化学成分的形成作用,二、地下水化学成分的形成作用 各种不同来源的地下水，在后期循环过程中，不断与与周围的介质相互作用，化学成分不断变化，结果与原始的化学成分具有很大的区别。 作用类型： 溶滤作用、浓缩作用、脱碳酸作用、脱硫酸作用、阳离子交替吸附作用 、混合作用。,1、溶滤作用 概念：在水与岩土相互作用下，岩土中一部分物质转入地下水中的过程。 结果：岩石失去一部分可溶物质，地下水补充了新的组分。注：溶滤作用并未破坏岩石的完整性，也未破坏矿物的结晶格架，只是使其中的可溶部分进入水中；溶解作用是指组成矿物的一切元素按原来的比例全部转入水中，溶解物质的结构完全被破坏，而溶滤物质结构一部分流失，框架仍在。 溶滤作用具有时间上的阶段性和空间上的差异性。 一个地区经受的溶滤作用愈强烈，地下水的矿化度愈低，愈是以难溶离子为主要成分。,溶滤作用 影响因素： 组成岩土的矿物盐类的溶解度 。盐岩NaCl易溶，Si02难溶解； 岩土的空隙特征。致密基岩，水与矿物难以接触，难溶滤； 水的溶解能力决定着溶滤作用的强度。低矿化水的强，高矿化水的弱 水中CO2、O2等气体成分的含量。前者易溶碳酸盐、硅酸盐，后者易溶硫化物； 地下水的径流与交替强度。最关键的因素。,水的溶解能力还受温度、pH值、水中共生盐类的影响 温度： 盐类的溶解度随温度的升高而增大，但NaSO4、CO2、CaCO3、MgCO3溶解度降低。 水的pH值： pH越低，水的溶解能力越大，绝大多数金属离子只有在酸性地下水中才能存在。随着pH的增高，金属离子将形成氢氧化物沉淀。如：Fe3+在pH3的水中大量沉淀，当pH 6时， Fe2+也将大部分沉淀。根据pH值的大小便可判断地下水所含的金属离子及含量大小。 水中的共生盐类：如含有NaCl的水可使CaSO4的溶解度增大4倍，若水中含MgCl，CaSO4则基本不溶于水。,2、浓缩作用 概念：地下水受到蒸发失去水分或流动将溶解物质带到排泄区而使地下水中盐分浓缩的过程。 条件： 干旱或半干旱的气候； 低平地势控制下较浅的地下水位埋深，有利于毛细作用的颗粒细小的松散岩土； 集中排泄的地带。 特点： 不仅使地下水的矿化度提高，也使水的化学（成分）类型发生改变。,3、脱碳酸作用 概念：水中CO2的溶解度受环境的温度和压力控制。CO2的溶解度随温度升高或压力降低而减小，一部分CO2便成为游离CO2从水中逸出，这便是脱碳酸作用。 结果： 地下水中HCO3-及Ca2+、Mg2+减少，矿化度降低 ； Ca2+ 2HCO3-CO2+ H2O+ CaCO3 Mg2+2HCO3-CO2+ H2O+ MgCO3 实例：深部地下水上升成泉，泉口往往形成钙华。,4、脱硫酸作用 概念：在还原环境中，当有机质存在时，脱硫酸细菌能使SO42-还原为H2S，这就是脱硫酸作用 。在岩土含有有机物质的情况下，碳氢化合物也可使硫酸盐还原。 SO42-+2C+2 H2OH2S+2HCO3- 结果： 水中SO42-减少以至消失，HCO3-增加，PH值变大。 实例：封闭的地质构造，如储油构造，是产生脱硫酸作用的有利环境。因此，某些油田中出现H2S，而SO42-含量很低。这一特征可以作为寻找油田的辅助标志。,5、阳离子交替吸附作用 概念：一定条件下，颗粒将吸附地下水中的某些阳离子，而将原来吸附的部分阳离子转为地下水中的组分，即为阳离子交替吸附作用。 影响因素： 岩土颗粒的比表面积 ； 阳离子吸附于颗粒表面的能力： H+Fe3+Al3+Ca2+Mg2+K+Na+ 地下水中某种离子的相对浓度: 如, 海水入侵陆相，Na+浓度大，可以替代吸附在颗粒表面的Ca2+。吸附作用是可逆的：,吸附,吸附,6、混合作用 概念： 成分不同的两种水汇合在一起，形成化学成分与原来两者都不相同的地下水，便是混合作用。 实例：在滨海地区，地下水往往是海水与大气降水渗入补给混合作用的产物； 多层含水层结构的地下水，不同层地下水之间的补给也可发生混合作用。 CaCl2Na2SO4 CaSO4 +2NaCl 说明：对于不同成分的地下水，混合后是否发生混合作用，取决于两者的化学成分与矿化度。,小结：影响地下水化学成分形成的因素 三大类： 1、自然地理因素（气候、水文、地形、植物） 2、 地质因素（岩性、地质构造等） 3、 人为因素 这些因素的错综组合决定着地下水化学成分形成的方向及其分布规律。1、自然地理因素 气候：潮湿地区降雨量大，地下水矿化度常较低; 干旱的沙漠、半沙漠地区蒸发强，矿化度高。 地形：高山地区地形切割强烈，地下水循环交替快，矿化度低； 平原地区地下水流动慢，矿化度高。 水文因素： 反映在地表水与地下水的补排关系上。,2、地质因素（岩性、地质构造等） 岩性：可溶成分溶于水，使水中富含这些可溶成分；难溶成分通过风化溶解进入水中，对地下水成分产生影响。 地质构造： 隆起构造地区，溶滤作用为主，形成低矿化水； 封闭的向斜构造地区发生浓缩作用使矿化度增高。,3、人为因素 废弃物污染地下水： 工业生产的废气、废水与废渣以及农业上大量使用化肥农药，使天然地下水富集了原来含量很低的有害元素，如酚、氰、汞、砷、铬、亚硝酸等。 改变地下水形成条件： 滨海地区过量开采地下水引起海水入侵，淡含水层变咸。 干旱半干旱地区不合理地引入地表水灌溉，会使浅层地下水位上升，引起大面积次生盐渍化，导致浅层地下水变咸。,从形成地下水化学成分的基本成因出发，可将地下水分为三个类型：溶滤水、沉积水和内生水。一、溶滤水 概念：富含CO2与O2的渗入成因的地下水，溶滤它所流经的岩土而获得其主要化学成分，这种水称之为溶滤水。影响 溶滤水化学成分的因素： 岩性、气候、地貌,第5节 地下水化学成分的基本成因类型,1、岩性 含盐岩地层沉积区：地下水富含Cl-、Na+； 石灰岩、白云岩区：富含HCO3-、Ca2+和Mg2+； 石膏、天青石区：SO42-、Ca2+、Sr2+； 酸性岩浆岩区：地下水大都为HCO3Na型水； 基性岩浆岩区：地下水中常富含Mg2+； 煤系地层区与金属矿床区：酸性较强的硫酸盐水。注：并不是地下水流经什么岩土，必定具有何种化学成分，因为岩土的各种组分，其迁移能力各不相同，还受气候、地貌等其他因素影响。,2、 气候 （1）潮湿气候区 经长期淋滤作用，易溶盐类(NaCl、CaSO4)充分溶滤，最后地下水主要是难以迁移的组分(CaCO3、MgCO3、SiO2)。因此，在潮湿气候区，其浅层地下水最终很可能都是低矿化重碳酸水，难溶的SiO2在水中占到相当比重。 （2）干旱气候区 水分不断蒸发，盐分不断积累于浅部，最终都将形成高矿化的氯化物水。 注：气候决定大区域范围内水质成分的变化；岩性和地形决定局部区域水质的变化。,3、地形 （1）切割强烈的山区。局部流动系统发育，水交替迅速，即使在干旱地区也不发生浓缩作用，从而形成低矿化的以难溶离子为主的地下水。 （2）地势低平的平原与盆地。水交替缓慢，地下水矿化度与含易溶离子均较高。 （3）干旱地区的山间堆积盆地。山前地区气候相对湿润，颗粒比较粗大，地形坡度也大；向盆地中心，气候转为十分干旱，颗粒细小，地势低平。因此，从盆地边缘洪积扇顶部的低矿化重碳酸盐水带，到过渡地带的中等矿化硫酸盐水，盆地中心则是高矿化的氯化物水。,二、沉积水 概念：指与沉积物大体同时生成的古地下水。沉积水一般埋藏于封闭的地质构造内，故又称埋藏水。分类：同生沉积水和后生沉积水。 同生沉积水：与岩层同时沉积形成，且保留于其中的水。 后生沉积水：成岩以后由于邻近岩层挤压而来的水。 河、湖、海相的沉积物中的水具有不同的原始成分，在漫长的地质年代中水质又经历一系列复杂的变化。 海相沉积作用水的化学成分与海水成分基本相似。 海水成分：,三、内生水 概念：参与地壳深部地质作用的地下水。火山喷发作用、岩浆作用和变质作用等均有水参与，来自地幔高温高压的岩浆直接分异出来的水。内生水包括初生水，即含在熔融岩浆中的水；再生水，即地壳深部高温高压条件下，岩石所含结合水和矿物水转变为液态或气态水。 迄今研究还很不成熟。,一、地下水化学分析内容 根据研究地下水化学成分目的不同，分析的内容和精度也不一样。按照不同的目的和要求，地下水化学成分的分折可分为三种类型，即：简分析、全分析和专项分析。,第6节 地下水化学成分分析及其图示,1、简分析 特点：分析项目少，精度要求低，简便快速，成本不高。 目的：了解区域水质、水化学的概貌以及水质是否适于饮用 。 分析内容： 物理性质（温度、颜色、透明度、嗅味、味道等） 定量分析：HCO3-、 SO42- 、Cl-、Ca2+ 、Mg2+、pH值和硬度； 定性分析：NO3-、NO2-、 NH4+ 、Fe2+ 、 Fe3+ 、H2S、耗氧量等。,2、全分析 特点：分析项目较多，但并非分析水中的全部组分，要求精度高。通常在简分析的基础上选择有代表性的水样进行分析， 目的：较全面地了解地下水的化学成分，并检核简分析结果。 分析内容：HCO3-、 SO42- 、C1-、CO3-、NO2-、NO3-、Ca2+ 、 Mg2+ 、K+ 、Na+ 、 NH4+ 、Fe2+ 、 Fe3+ 、H2S、CO2、耗氧量、pH值及干涸残余物。 3、专项分析 只分析一个或几个组分，要求精度高，分析项目根据具体任务来确定。,二、分析结果的表示（一）单项组分的表示1、重量浓度单位：%，g/g，ppm（10-6g/g），ppt（10-9g/g）2、体积浓度单位： g/L， mg/L，ug/L3、离子毫克当量/升（mgN/L）表示单位4、离子毫克当量百分数（mgN%）表示法,（二）水源点水化成分的表示 库尔洛夫式：将阴阳离子分别标示在横线上下，按毫克当量百分数自大而小顺序排列。横线前依次表示气体成分、特殊成分及矿化度（以字母M 为代号），三者单位均为g/L，横线后以字母t 为代号表示以摄氏计的水温。注：毫克当量百分数大于10%的写入该式，小于10%的离子不予表示。,气体成分、特殊成分,矿化度,温度,阴阳离子,二、地下水化学特征分类及图示,地下水按其化学成分有多种 分类方法，大多利用主要阴阳离子之间的相对含量与关系进行划分。国内常用舒卡列夫分类法和派珀（Piper）三线图。 1、水化学类型舒卡列夫分类法 （1）分类依据 主要阴阳离子含量（含量大于25毫克当量的阴离子和阳离子）及水的矿化度（TDS）,1、水化学类型舒卡列夫分类法（2）分类类型 按矿化度分四组： 1.5 g/L A组 1.510 g/L B组 1040 g/L C组 40 g/L D组 按主要阴阳离子来组合成49型,例如：1类为自然界中广泛分布的重碳酸钙（HCO3 Ca）型水，是沉积岩地区典型的溶滤水；49类为氯化钠（Cl-Na）型水，则可能是与海水及海相沉积有关的地下水，或者是干旱地区埋藏不深的盐化地下水。 根据舒卡列夫分类法，在确定水的名称时，将含量大的放在前面。 例如氯钠钙（Cl-Na-Ca）型水。则表示阳离子中Na+ 的毫克当量百分数含量大于Ca2+ ，为46类水。,（3）舒卡列夫分类的优缺点 优点：非常简单，可以大致推断水质的成因，所以只能叫水化学分类。 缺点： 以25%毫克当量划分的依据带有人为性， 对大于25%毫克当量的离子未反映其大小的次序，反映水质变化成因不够细致。 分类中有些水型意义不大，如17，18，19，在自然界中极少见到或见不到的。,（1）左下三角形：三边分别代表阳离子中Na+K+、Ca2+、Mg2+的毫克当量百分数。（2）右下角三角形：表示阴离子Cl-、SO42-、HCO3-。水样的阴阳离子的相对含量分别在两个三角形中表示。引线在菱形中得出的交点综合表示水样的阴阳离子相对含量，圆半径按比例表示矿化度。,2、派珀三线图解(A.M.Pier),派珀三线图把菱形分成9个区 1 区碱土金属离子超过碱金属离子，2 区碱大于碱土， 3 区弱酸根超过强酸根，4 区强酸大于弱酸，5 区碳酸盐硬度超过50，6 区非碳酸盐硬度超过50，7 区碱及强酸为主，8 区碱土及弱酸为主，9 区任一对阴阳离子含量均不超过50毫克当量百分数。,2、派珀三线图解(A.M.Pier),A,B,C,Q,N,M,8-1水点Cl-含量平行于AC边，为9%；SO42-含量平行于AB边，为1%；HCO3-含量平行于BC边，为90% “5”的Cl-10%;SO42-70%;HCO3-20%,8-1水点Na+含量平行于QM边，为18%；Ca2+含量平行于MN边，为80%；Mg2+含量平行于NQ边，为2%,2、派珀三线图解(A.M.Pier),