地下水的物理性质和化学成分及其演变.ppt

,第六章 地下水的物理性质和化学成分及其演变,第六章 地下水的物理性质和化学成分及其演变,6.1 概述,6.2 地下水的物理性质,6.3 地下水的化学特征,6.4 地下水化学成分的形成作用,6.5 地下水化学成分的基本成因类型,6.6 地下水化学成分的分析内容与分类图示,第六章 地下水的物理性质和化学成分及其演变,6.1 概述,【水质】指水的适用性，即水的物质成分、物理性状、和化学性质及其对于所有可能的用水目的的其质量适应性的综合特征。,作为水资源，其量和质的属性是不可分割的，没有量的质和没有质的量都是没有资源意义的。,地下水水质在人民生活及国民经济发展中的作用：,第六章 地下水的物理性质和化学成分及其演变,碘，摄入量过低，会引起甲状腺肿大；氟，氟化物过高，会引起牙齿氟斑，严重的会引起牙齿松动、折断、脱落。过量的氟还会引起骨骼氟中毒，即氟骨病。氟摄入量过低，又会发生龋齿病。硬度，硬度过低，会使心血管疾病的死亡率升高。贡，水俣y病。放射性,1）水质与人体健康,第六章 地下水的物理性质和化学成分及其演变,2）水质与农业生产,标准分类 本标准根据农作物的需求状况，将灌溉水质按灌溉作物分为三类：一类：水作，如水稻，灌水量800m3/亩年。二类：旱作，如小麦、玉米、棉花等。灌溉水量300m3/亩年。三类：蔬菜，如大白菜、韭菜、洋葱、卷心菜等。蔬菜品种不同，灌水量差异很大，一般为200500m3/亩。,第六章 地下水的物理性质和化学成分及其演变,2）水质与农业生产,第六章 地下水的物理性质和化学成分及其演变,2）水质与农业生产,第六章 地下水的物理性质和化学成分及其演变,2）水质与农业生产,第六章 地下水的物理性质和化学成分及其演变,3）水质与工业生产,冷却用水：较低温度，盐类及硬度，浑浊度，硫化氢，酸碱类腐蚀性成分。蒸汽锅炉用水：水质硬度足够小。,生产技术用水：纺织工业要求硬度小；淀粉工业要求不能有毒性和着色成分；酿制啤酒用水不能有硫酸钙存在，以保障麦芽发酵；葡萄酒酿造不允许含有氯化钙和氯化镁，以免影响酵母菌的生长；制糖用水不得含有腐败物质且矿化度要小。工程建筑：具有侵蚀性的天然水对混凝土及金属结构体会产生溶滤、分解及结晶膨胀等侵蚀破坏作用。,第六章 地下水的物理性质和化学成分及其演变,4）水文地球化学找矿,围绕盐矿、油田以及金属矿床，往往形成特定化学元素的分散晕圈，可以作为找矿标志。,水文地球化学找矿法，中国地质科学院水文地质工程地质研究所，地质出版社，1977.4,水文地球化学找油理论与方法，刘崇禧等编著，地质出版社，1988.8,第六章 地下水的物理性质和化学成分及其演变,5）含有大量盐类的地下水是宝贵的工业原料,Br/溴xi：用于水的纯化（游泳池），制二溴乙烯（汽油抗爆震音）、阻燃剂以及其它一些溴代有机化合物。B/硼png：和钛钨一起制轻质抗热合金，也用于抗热玻璃的制造，眼睛消毒液的配制。Sr/锶s：用于焰火，具有洋红色火焰。也用于核能电池。,6）某些具有特殊物理性质与化学成分的水具有医疗意义,第六章 地下水的物理性质和化学成分及其演变,“地下水的功能主要包括：资源、生态环境因子、灾害因子、地质营力与信息载体。”,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。一个地区地下水的化学面貌，反映了该地区地下水的历史演变。,研究地下水的化学成分，可以帮助我们回溯一个地区的水文地质历史，阐明地下水的起源与形成。,7）信息载体,污染物在地下水中散布，同样也会形成晕圈。这对于查明有关物质的迁移、分散规律，确定污染源的位置很有帮助。,第六章 地下水的物理性质和化学成分及其演变,6.2 地下水的物理性质,地下水的物理性质反映了溶解和悬浮在水中的物质成分和其所处的地质环境，也是水质评价的直接指标。,地下水的物理性质通常是指温度、颜色、味、嗅、透明度、比重、导电性、放射性等。,1）温度,地壳表层有两个热能来源：一个是太阳的辐射，另一是来自地球内部的热流。地壳表层可分为变温带、常温带及增温带。,第六章 地下水的物理性质和化学成分及其演变,变温带,受太阳辐射影响的地表极薄的带。由于太阳辐射能的周期变化，呈现地温的昼夜变化和季节变化。地温的昼夜变化只影响地表以下12m深。变温带的下限深度一般为1530m。此深度地温年变化小于0.1。,第六章 地下水的物理性质和化学成分及其演变,常温带,地温一般比当地年平均气温高出1-2。在粗略计算时，可将当地的多年平均气温作为常温带地温。,第六章 地下水的物理性质和化学成分及其演变,常温带,常温带,第六章 地下水的物理性质和化学成分及其演变,增温带,常温带以下，地温受地球内热影响，通常随深度加大而有规律地升高。增温带中的地温变化可用【地温梯度】表示。地温梯度是每增加单位深度时地温的增值，一般以/100m为单位。,温度每升高1所需增加的深度（m）称为【地热增温级】（m/）,一般地区为：33m/,近代火山活动地区为：1m/；如西藏羊八井达到0.3m/,前寒武纪地区为：100m/,第六章 地下水的物理性质和化学成分及其演变,总结：地下水的温度受其赋存与循环所处的地温控制。处于变温带中的浅埋地下水显示微小的水温季节变化。常温带的地下水水温与当地年平均气温很接近。这两带的地下水，常给人以“冬暖夏凉”的感觉。增温带的地下水随其赋存与循环深度的加大而提高，成为热水甚至蒸汽。如西藏羊八井的钻孔，获得温度为160的热水与蒸汽。,第六章 地下水的物理性质和化学成分及其演变,2）颜色,由于含有某种离子较多，或者富集悬浮物质和胶体物质,3）味,取决于水中溶解的盐类和有机质,二氧化碳清凉可口,重碳酸钙味美可口,氯化钠咸味,硫酸钠涩味,氯化镁或硫酸镁苦味,氯化亚铁墨水味,有机质或腐殖质甜味，但不宜饮用,氯化铁铁锈味,第六章 地下水的物理性质和化学成分及其演变,4）嗅,取决于所含的气体成分与有机物质,硫化氢臭鸡蛋,腐殖质霉味,亚铁离子铁腥味,5）透明度,含有泥沙、腐殖质等的原因,6）比重,因温度、矿化度不同，比重不同,第六章 地下水的物理性质和化学成分及其演变,7）导电性,因为含有各种离子成分,离子浓度越高，温度越高，导电性越强,根据地下水的导电性，可以区分含水层和隔水层、矿水和淡水，也可以根据导电性圈定富水地带，寻找断裂破碎带,8）放射性,取决于其中放射性物质的含量,地下水按放射性元素的含量（g/L）分为强放射性水，中等放射性水和弱放射性水,以镭为例,第六章 地下水的物理性质和化学成分及其演变,8）放射性,取决于其中放射性物质的含量,福岛第一核电站运营商东京电力公司发言人松茂直之3月31日说，东电3月30日11时10分从1号反应堆地下15米处采集地下水样本。检测结果显示，每千克样本碘131放射性活度为430贝克勒尔，超过政府规定安全水平1万倍。,第六章 地下水的物理性质和化学成分及其演变,6.3 地下水的化学特征,6.3.1 地下水中主要气体成分,各种气体、离子、胶体物质、有机质以及微生物等,主要的气体组分：O2、N2、CO2、H2S、CH4、H2、碳氢化合物及少量的惰性气体。来源：空气（O2、N2、CO2）、生物化学（H2S、CH4、N2、CO2），化学及核反应（He、Rn）,气体成分存在的意义：气体成分能够说明地下水所处的地球化学环境；地下水中的有些气体会增加水溶解盐类的能力，促进某些化学反应。,第六章 地下水的物理性质和化学成分及其演变,1）氧（O2）,溶解于水中的氧称为“溶解氧”，其溶解量随水的矿化度升高、埋藏深度增加、温度升高、大气压力 降低 而 降低。,氧的溶解度,含量分布特征,A）地下水中溶解的含量，一般在015mg/L B）地下水中的O2随深度增加而减少（由于氧化作用耗氧所致）C）缺氧环境各地深度不一，主要取决于地下水与大气的隔离度,第六章 地下水的物理性质和化学成分及其演变,1）氧（O2）,氧的来源,A）主要来源于大气，O2占大气21%，所以地下水中O2浓度主要取决于地下水与大气的隔离程度；,B）水生植物光合作用释放氧，光合作用把CO2转变为O2,C）放射性作用使水或水中有机物质分解而释出氧。,第六章 地下水的物理性质和化学成分及其演变,氧的水文地球化学作用,A）O2决定地下水的氧化还原状态，从而影响水中元素的迁移。如在含氧多的地下水中，Fe形成高价化合物而从中沉淀；反之，地下水中含O2少，形成低价态化合物而易于在水中迁移 B）对金属材料具有侵蚀作用。如自来水管的锈蚀。,第六章 地下水的物理性质和化学成分及其演变,2)氮（N2）,来源,A）主要来自大气，N2占大气的78%。B）在封闭缺氧的地质构造，由于去硝化作用将NO3-和NO2-转为N2。,第六章 地下水的物理性质和化学成分及其演变,2)氮（N2）,A）由于N2的化学性质不及氧活泼，它的分布随深度的减少，不及O2明显 B）大气中的惰性气体（Ar/氩、Kr/氪、Xe/氙xin）与N2的比例恒定，即：（Ar+Kr+Xe）/N2=0.0118。比值等于此数，说明N2是大气起源的；小于此数，则表明水中含有生物起源或变质起源的N,分布特征,第六章 地下水的物理性质和化学成分及其演变,3)硫化氢（H2S）,天然水中，H2S能以溶解气体及硫氢酸的离解形式存在：,地下水中H2S的存在形式,A）在酸性介质中（pH6.5），呈H2S溶解气体的形式存在B）在碱性介质中（pH7.5），呈HS-形式存在；C）中性介质（pH6.57.5），H2S、HS-各占一部分。,水中H2S衍生物的比例与pH值的关系,由于H2S的二级电离常数极小，所以S2-在水中极少见,第六章 地下水的物理性质和化学成分及其演变,分布特征,A）一般地下水中含量很少，多在1mg/L以下。B）在油田地下水及现代火山活动区地下水中，H2S含量较高，可达几十g/L几百mg/L。H2S的存在说明地下水处于还原环境。,来源,A）有机物来源：含硫蛋白质的分解，经常出现在生物残骸腐烂的地方。B）无机来源：缺氧条件下，脱硫酸作用使硫酸盐还原分解而产生H2S；火山喷发气体的析出。,第六章 地下水的物理性质和化学成分及其演变,4)二氧化碳（CO2）,基本概念,A）游离CO2,溶解于水中的CO2统称为游离CO2,B）平衡CO2,与HCO3-相平衡的CO2，称为平衡CO2,C）侵蚀性CO2,当水中“游离CO2”，大于“平衡CO2”时，多余部分的CO2对碳酸和金属构件等具有侵蚀性，这部分CO2，即为“侵蚀性CO2”,第六章 地下水的物理性质和化学成分及其演变,来源,A）空气中的CO2,空气中的CO2按体积只占0.3%，可造成水中0.5mg/L的CO2,B）土壤中生物化学作用的CO2（植物呼吸有有机物分解）,土壤上中各种各样的有机物，在微生物的作用下分解产生CO2 如在地下6米深的空气中含7%的CO2，比地面空气中的含量增加很多倍，从而土壤上CO2成为浅部地下水中CO2的主要来源,C）深部地壳中发生的各种变质作用产生的CO2,第六章 地下水的物理性质和化学成分及其演变,D）幔源碳逸出,E）岩浆分异作用产生的CO2,地幔中含丰富的CO2和CH4等气体，它们可沿切穿地幔的大型断裂构造进入地壳浅部的地下水，其中CH4等碳氢化合物在上升过程中被氧化成CO2,岩浆分异的气体中，CO2仅次于水蒸汽占第2位,分布特征,A）一般地下水中游离CO2为1540mg/L，很少超过150mg/L B）矿泉水中CO2含量很高，几百mg/L至几十 g/L。如：江西崇仁马鞍坪温泉CO2=750mg/L，江西寻乌温泉CO2=1193mg/L。前苏联高加索矿水区，地下1300m深处碳酸水，CO24000mg/L C）现代火山活动区，地下水中CO250010000mg/L。,第六章 地下水的物理性质和化学成分及其演变,碳酸水的利用,A）天然饮料矿泉水：水中CO2大于250mg/LB）碳酸泉：水中CO2大于750mg/LC）碳酸饮料具有良好的医疗作用，增进食欲，改善消化功能等D）医疗：治疗高血压、冠心病及外伤溃疡。,5)甲烷（CH4）,CH4是最简单的有机物，它可由有机质的各种生物化学作用产生。一般地下水中含量不高，只有在封闭的还原环境的地下水中达到较高含量。,石油及卤水中CH4含量很高：四川某卤水开采区，井下4500m以下的地下卤水中，10%为CH4气体。当地下水中有硫酸盐时，甲烷能促使还原而产生H2S气体，甲烷是强还原环境标志之一。,第六章 地下水的物理性质和化学成分及其演变,1王慎义，浦勇.泰汶石膏矿防治硫化氢气体及地下水的技术研究J.非金属矿，2008（5）,2乔海明，宋哲，章金彪.十红滩铀矿床地下水中的气体在成矿过程中的作用J.铀矿地质，2009（4）.,第六章 地下水的物理性质和化学成分及其演变,6.3.2 地下水中的主要离子成分,Cl、SO42、HCO3（CO32）,Na、K、Ca2、Mg2,第六章 地下水的物理性质和化学成分及其演变,一般情况下，随着总矿化度（溶解性总固体/TDS）的变化，地下水中占主要地位的离子成分也随之发生变化。低矿化水中常以HCO3-及Ca2+、Mg2+为主；高矿化水则以C1-及Na+为主；中等矿化的地下水中，阴离子常以SO42-为主，主要阳离子则可以是Na+，也可以是Ca2+。这是因为：,地下水中常见盐类的溶解度（0，单位g/L）,第六章 地下水的物理性质和化学成分及其演变,总的来说，氯盐的溶解度最大，硫酸盐次之，碳酸盐较小。钙的硫酸盐，特变是钙、镁的碳酸盐，溶解度最小；随着矿化度增大，钙、镁的碳酸盐首先达到饱和并沉淀析出，继续增大时，钙的硫酸盐也饱和析出，因此，高矿化水中便以易容的氯和钠占优势了（由于氯化钙的溶解度更大，因此在矿化度异常高的地下水中以氯和钙为主）,1）氯离子（Cl）,迁移性能,A）不形成难溶化合物；B）不被胶体所吸附；C）不被生物所吸附,第六章 地下水的物理性质和化学成分及其演变,A）来自沉积岩中所含岩盐或其它氯化物的溶解；B）来自岩浆岩中含氯矿物。氯磷灰石Ca5（PO4）3Cl、方钠石NaAlSiO4NaCl的风化溶解；C）来自海水。海水补给地下水，或者来自海面的风将细沫状的海水带到陆地，使地下水中Cl-增多；D）来自火山喷发物的溶滤；E）人为污染：工业、生活污水及粪便中含有大量C1-。,来源,分布规律,地下水中的Cl含量从几mg/L至100mg/L以上均有。地下水中的Cl含量随地下水矿化度的增高而增高。在高矿化度水中，占阴离子首位，形成氯化物水。,第六章 地下水的物理性质和化学成分及其演变,2）硫酸根（SO42）,迁移性能,迁移性能较强，仅次于Cl。SO42的迁移性能受下列四个因素控制：,A）水中SO42易与Ca2、Ba2、Sr2等离子形成难溶盐。B）热带潮湿地区土壤中的Fe(OH)2、Al(OH)22胶体可以吸附SO42。C）易被生物吸收，硫是蛋白质的组成部分。D）脱硫酸作用：在缺氧、有脱硫酸菌存在的情况下，SO42被还原成H2S等的过程。,第六章 地下水的物理性质和化学成分及其演变,分布规律,A）随地下水矿化度增高，SO42含量增加，但增加速度明显落后于Cl。在中等矿化度水中，常成为含量最多的阴离子 B）在某些特殊情况下，地下水中含量可达到很高，例如硫化矿氧化带中的矿坑水，石膏层地下水。,来源,A）石膏、硬石膏及含硫酸盐的沉积物。,B）硫化物及天然硫的氧化，则使本来难溶于水的S以SO42-形式大量进入水中。例如：（黄铁矿）,第六章 地下水的物理性质和化学成分及其演变,C）火山喷发物中的硫和硫化物的氧化,D）酸雨，大气降水中的SO42,E）有机物的分解,F）生活、工业、农业废水,由于CaSO4的溶解度较小，限制了SO42-在水中的含量，所以地下水中的SO42-远不如C1-来得稳定，最高含量也远低于C1-。,来源,2）硫酸根（SO42）,A）,B）,第六章 地下水的物理性质和化学成分及其演变,3）HCO3 和 CO32,分布规律,HCO3在低矿化度水中主导地位，在阴离子中占首位。在某些含CO2的水中，HCO3含量可达1000mg/L以上。例如横迳（赣南）温泉水中HCO3含量高达2253mg/L，强碱、强酸水中，HCO3极少见。天然水中CO32含量一般很低，但在苏打水中可达到很高,第六章 地下水的物理性质和化学成分及其演变,来源,A）大气中CO2的溶解,B）各种碳酸盐类（石灰岩、白云岩、泥灰岩）及胶结物的溶解和溶滤,C）岩浆岩与变质岩地区，HCO3主要来自铝硅酸盐矿物的风化溶解,3）HCO3 和 CO32,第六章 地下水的物理性质和化学成分及其演变,4）钠离子（Na+）,钠离子在低矿化水中的含量一般很低，仅数毫克/升到数十毫克/升，但在高矿化度水中则是主要的阳离子，其含量最高可达数十克/升。,B）岩盐矿床及火成岩和变质岩中含钠的矿物的风化、溶解,A）来自于海水,分布规律,来源,如钠长石、斜长石、霞石（钠的铝硅酸盐）,第六章 地下水的物理性质和化学成分及其演变,5）钾离子（K+）,钾离子的来源以及在地下水中的分布特点，与钠相近。它来来自含钾盐类沉积岩的溶解，以及岩浆岩、变质岩中含钾矿物的风化溶解。在低矿化水中含量甚微，而在高矿化水中较多。,虽然在地壳中，钾的含量与钠相近，钾盐的溶解度也相当大。但是，在地下水中，K+的含量要比Na+少得多，这是因为：,K+大量地参与形成不溶于水的次生矿物（水云母、蒙脱石、绢云母）,易为植物摄取,分布规律及来源,K+与Na+少的比较,第六章 地下水的物理性质和化学成分及其演变,6）钙离子（Ca2+）,钙是低矿化地下水这的主要阳离子，其含量一般不超过数百毫克/升，在高矿水中，由于阴离子主要是Cl-，而CaCl2的溶解度相当大，故Ca2+的绝对含量显著增大，但通常仍远低于Na+。矿化度格外高的水，钙也可称为主要离子。,分布规律,碳酸盐类沉积物及含石膏沉积物的以及岩浆岩、变质岩中含钙矿物的风化溶解。,来源,第六章 地下水的物理性质和化学成分及其演变,7）镁离子（Mg2+）,Mg2+在地矿化水中含量通常较Ca2+少，通常不成为地下水中的主要离子，部分原因是由于地壳组成中Mg比Ca少。,含镁的碳酸盐类沉积（白云岩、泥灰岩），此外还来自岩浆岩、变质岩中含镁矿物的风化溶解。,分布规律,来源,第六章 地下水的物理性质和化学成分及其演变,6.3.3 地下水中的其它成分,1）胶体成分,硅酸,弱酸，离解程度很小。在水中的含量一般每升十分之几毫克，少数达几毫克；但在碱性热水中，可达到100mg/L。南方多雨潮湿的结晶岩地区，在一些低矿化度水中富集了硅酸盐型水。粘土矿物即是硅铝酸化合物胶体，最简单的形式如Al2O32SiO22H2O，硅铝酸阴离子使粘土胶体离子带有负电荷，是吸附阳离子的主要原因。,结合水,阳离子交替吸附,第六章 地下水的物理性质和化学成分及其演变,胶体氢氧化铁在地壳中分布很广，也是铁在天然水中存在的主要形式之一。,在还原环境中，地下水中的铁通常以低价Fe2+出现，亚铁离子在水中是不稳定的，极易氧化成氢氧化铁析出：,氢氧化铁,氢氧化铝,氢氧化铝胶体主要由铝硅酸盐风化分解而来，但很不稳定，容易形成水矾土、叶腊石等此生矿物，氢氧化铝在地下水中含量不高。,第六章 地下水的物理性质和化学成分及其演变,2）有机质,地下水中的有机质大部分由腐殖质组成，它是有机质经微生物分解后再合成的一种褐色或黑褐色的胶体物质。沼泽地区的地下水，有机质含量高，呈酸性，油田水中的有机质含量最高达n10-3。大气降水和海洋水中有机质含量最少，其他地下水中含量只有n10-5。,构成有机质的主要元素碳、氢、氧占98.5%，此外还有少量的氮、磷、硫、钾、钙等元素。,地下水中有机质主要来源是土壤或岩石石油天然气的溶解，细菌或生物的作用，沿海盐水的入侵等。此外工业废水、石油、天然气、煤等矿产开发，农业灌溉以及城市污染等也能形成有机质。,第六章 地下水的物理性质和化学成分及其演变,3）细菌成分（微生物）,地下水中的细菌成分来自生活污水、生物制品、造纸等各种工业废水，这些污水中往往含有个中病原菌，流入水体后会传染各种疾病。此外，人类及动物的排泄物也能产生致病菌，污染地下水。,水的细菌分析结果一般用细菌总数（每升水）、菌度（含有一条大肠杆菌的水的毫升数）和检定量（1L水中大肠杆菌的含量）表示。我国规定1mL饮用水中细菌总数不得超过100个，1L水中大肠杆菌不得超过3个。,地下水卫生状况按菌度划分表,第六章 地下水的物理性质和化学成分及其演变,6.4 地下水化学成分的形成作用,第六章 地下水的物理性质和化学成分及其演变,6.4.1 溶滤作用,1）定义：水与岩土相互作用下，岩土中一部分物质转入地下水中,2）结果：岩土失去一部分可溶物质，地下水则补充了新的组分,3）溶解的过程,4）溶解与结晶同时进行溶解度,5）不同盐类具有不同的溶解度（原因）,水是偶极分子,结晶格架中的盐类离子,不同盐类，结晶格架中离子间的吸引力不同,第六章 地下水的物理性质和化学成分及其演变,6）温度对溶解度的影响,随着温度上升，结晶格架内离子的振荡运动加剧，离子间引力削弱，水的极化分子易于将离子从结晶格架上拉出。因此，盐类溶解度通常随温度上升而增大。但是，某些盐类例外，如 Na2SO4 在温度上升时，由于矿物结晶中的水分子逸出，离子间引力增大，溶解度反而降低；CaCO3 及 MgCO3的溶解度也随温度上升而降低，这与下面所说的脱碳酸作用有关。,第六章 地下水的物理性质和化学成分及其演变,7）溶滤作用的强度（岩土中的组分转入水中的速率）与下列因素有关：,组成岩土的矿物盐类的溶解度 NaCl与SiO2比较岩土的空隙特征 缺乏裂隙的致密基岩，水难以与矿物盐类接触，溶滤作用便也无从发生。水的溶解能力决定着溶滤作用的强度 总的说来，低矿化水溶解能力强而高矿化水弱。水中CO2、O2等气体成分的含量决定着某些盐类的溶解能力 如水中CO2含量愈高，溶解碳酸盐及硅酸盐的能力愈强。O2的含量愈高，水溶解硫化物的能力愈强。水的流动状况,第六章 地下水的物理性质和化学成分及其演变,水的流动状况 流动停滞的地下水，最终将失去溶解能力，溶滤作用便告终止。地下水流动迅速，矿化度低的、含有大量CO2、O2的大气降水和地表水，不断更新含水层中原有的溶解能力已经趋于饱和的水，溶滤作用便持续地强烈发育。地下水的径流与交替强度是决定溶滤作用强度的最活跃最关键的因素,8）溶滤作用与纯化学的溶解作用的区别,溶滤作用时间上的阶段性,溶滤作用是一种与一定的自然地理与地质环境相联系的历史过程。,第六章 地下水的物理性质和化学成分及其演变,经受构造变动与剥蚀作用的岩层，接受来自大气圈及地表水圈的入渗水补给而开始其溶滤过程。设想岩层中原来含有包括氯化物、硫酸盐、碳酸盐及硅酸盐等各种矿物盐类。开始阶段，氯化物最易于由岩层转入水中，而成为地下水中主要化学组分。随着溶滤作用延续，岩层含有的氯化物由于不断转入水中并被水流带走而贫化，相对易溶的硫酸盐成为迁入水中的主要组分。溶滤作用长期持续，岩层中保留下来的几乎只是难溶的碳酸盐及硅酸盐，地下水的化学成分当然也就以碳酸盐及硅酸盐为主了。因此，一个地区经受溶滤愈强烈，时间愈长久，地下水的矿化度愈低，愈是以难溶离子为其主要成分。,第六章 地下水的物理性质和化学成分及其演变,溶滤作用空间上的差异性,难溶离子的相对含量也就愈高,气候愈是潮湿多雨,地质构造的开启性愈好,岩层的导水能力愈强,地形切割愈强烈,地下径流与水交替愈迅速,岩层经受的溶滤便愈充分,保留的易溶盐类便愈贫乏,地下水的矿化度愈低,8）溶滤作用与纯化学的溶解作用的区别,第六章 地下水的物理性质和化学成分及其演变,6.4.2 浓缩作用,溶滤作用将岩土中的某些成分溶入水中，地下水的流动又把这些溶解物质带到排泄区。在干旱半干旱地区的平原与盆地的低洼处，地下水位埋藏不深，蒸发成为地下水的主要排泄去路。由于蒸发作用只排走水分，盐分仍保留在余下的地下水中，随着时间延续，地下水溶液逐渐浓缩，矿化度不断增大。,1）浓缩作用的过程（定义）,第六章 地下水的物理性质和化学成分及其演变,6.4.2 浓缩作用,2）浓缩作用对地下水矿化度的影响,随着地下水矿化度上升，溶解度较小的盐类在水中相继达到饱和而沉淀析出，易溶盐类（如 NaCl）的离子逐渐成为水中主要成分。,未经蒸发浓缩前,随着蒸发浓缩,继续浓缩,水“走”盐“留”,第六章 地下水的物理性质和化学成分及其演变,3）产生浓缩作用必须同时具备的条件,干旱或半干旱的气候；,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；,空间上位于地下水流动系统的势汇排泄处。,干旱气候下，浓缩作用的规模从根本上说取决于地下水流动系统的空间尺度以及其持续的时间尺度。,第六章 地下水的物理性质和化学成分及其演变,思考：纯粹的蒸发浓缩作用有什么不同之处？,第六章 地下水的物理性质和化学成分及其演变,水中的CO2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少，一部分CO2将成为游离CO2从水中逸出，这便是脱碳酸作用。脱碳酸的结果：地下水中HCO3-及Ca2+，Mg2+减少，矿化度降低：,思考：1）深部地下水上升成泉，泉口往往形成钙华（石灰华）2）温度较高的深层地下水,6.4.3 脱碳酸作用,第六章 地下水的物理性质和化学成分及其演变,6.4.3 脱碳酸作用,壮观的黄龙钙华,第六章 地下水的物理性质和化学成分及其演变,6.4.3 脱碳酸作用,含碳酸氢钙的地热水接近和出露于地表时，因二氧化碳大量逸出而形成碳酸钙的化学沉淀物。钙华矿物成分主要为方解石和文石；质硬，致密，细晶质，块状，空心或实心球状，厚板或薄层，具纤维或同心圆状结构。钙华体形态异离多变，常见钙华锥、丘、扇、钟乳石等。藏北高原龙马尔热泉区的“钙华石林”举世无匹，细高的钙华柱高达7米。钙华一般为低温地热显示。钙华矿物以方解石最普遍，当结晶速度较快时，才能产出文石型钙华。泉水中锶离子浓度增加将有利于文石钙华的形成，而碱金属氯化物则不利于文石的形成。高温热泉一般沉淀文石，但如二氧化碳不大量逸出，则仅形成方解石。天然钙华中未发现球霰石。钙藻的活动对钙华的形成也有一定的影响。非热泉的碳酸钙化学沉积最好叫石灰华。,第六章 地下水的物理性质和化学成分及其演变,6.4.4 脱硫酸作用,在还原环境中，当有有机质存在时，脱硫酸细菌能使SO42-还原为H2S：,结果使地下水中SO42-减少以至消失，HCO3增加，pH值增大。,应用举例：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，某些油由水中出现H2S，而SO42含量很低。这一特征可以作为寻找油田的辅助标志。,第六章 地下水的物理性质和化学成分及其演变,6.4.5 阳离子交替吸附作用,定义：岩土颗粒表面带有负电荷，能够吸附阳离子。一定条件下，颗粒将吸附地下水中某些阳离子，而将其原来吸附的部分阳离子转为地下水中的组分，这便是阳离子交替吸附作用。,一、不同的阳离子，其吸附于岩土表面的能力不同，按吸附能力，自大而小顺序为：,H+Fe3+Al3+Ca2+Mg2+K+Na+,离子价愈高，离子半径愈大，水化离子半径愈小，则吸附能力愈大。H+则是例外。,第六章 地下水的物理性质和化学成分及其演变,如：当含Ca2+为主的地下水，进入主要吸附有Na+的岩土时，水中的Ca2+便置换岩土所吸附的一部分Na+，使地下水中Na+增多而Ca2+减小。,比表面积：固体有一定的几何外形，借通常的仪器和计算可求得其表面积。但粉末或多孔性物质表面积的测定较困难，它们不仅具有不规则的外表面，还有复杂的内表面。通常称1g固体所占有的总表面积为该物质的比表面积S（specificsurfacearea,/g）多孔物比表面积的测量，无论在科研还是工业生产中都具有十分重要的意义。一般比表面积大、活性大的多孔物，吸附能力强。,第六章 地下水的物理性质和化学成分及其演变,二、阳离子交替吸附作用的规模取决于岩土的吸附能力。岩土的吸附能力决定于岩土的比表面积。颗粒愈细，比表面积愈大，交替吸附作用的规模也就愈大。因此，粘土及粘土岩类最容易发生交替吸附作用，而在致密的结晶岩中，实际上不发生这种作用。,三、地下水中某种离子的相对浓度增大，则该种离子的交替吸附能力（置换沿途所吸附的离子的能力）也随之越大。当地下下水中Na+为主（海水），而沿途中原来吸附有较多的Ca+？,第六章 地下水的物理性质和化学成分及其演变,6.4.6 混合作用,定义：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，这便是混合作用。,范围：海滨、湖畔或河边，地表水往往混入地下水中；深层地下水补给浅部含水层时，则发生两种地下水的混合。,当以SO42、Na+为主的地下水，与HCO3、Ca2+为主的水混合时：,结果：石膏沉淀析出，形成以HCO3及Na+为主的地下水。,两种水的混合也可能不产生明显的化学反应。如：NaCl+Mg(HCO3)2,Ca（HCO3）2+Na2SO4CaSO4+2NaHCO3,第六章 地下水的物理性质和化学成分及其演变,6.4.7 生物化学作用,地下水中有机物质的含量与微生物的活动，对地下水化学成分的演变有特殊的作用。许多研究证明，无论是埋藏不深的潜水，还是循环在1000m或更大深度的地下水中，微生物都有能力发展和活动。微生物还能够适应很宽的温度范围，即从零下几度到零上85,微生物分为好氧细菌和厌氧细菌两种。好氧细菌仅仅生活在有自由氧存在的地方，它利用氧来呼吸。有自由氧的条件，存在于潜水；厌氧细菌生活在没有自由氧中，但对它必须的氧，它可以从有机氧化物中或从矿物盐类硝酸盐、硫酸盐等重取得。存在于封闭的含水层。,第六章 地下水的物理性质和化学成分及其演变,6.4.7 生物化学作用,1）硫黄细菌，它能使H2S和S氧化成硫酸,2H2S+O22H2O+S2,S2+3O2+2H2O2H2SO4,硫酸又和水中的碳酸盐中和成为硫酸盐沉淀析出：,H2SO4+CaCO3CaSO4+H2O+CO2,2）去硫细菌，脱硫酸作用,第六章 地下水的物理性质和化学成分及其演变,第六章 地下水的物理性质和化学成分及其演变,6.4.8 人类活动在地下水化学成分形成中的作用,1）人类生活与生产活动产生的废弃物污染地下水；,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；,滨海地区过量开采地下水引起海水入侵；,不合理的打井采水使咸水运移；,干旱半干旱地区不合理地引入地表水灌溉，引起大面积次生盐渍化等。,2）人为作用大规模地改变了地下水形成条件，从而使地下水化学成分发生变化。,第六章 地下水的物理性质和化学成分及其演变,6.5 地下水化学成分的基本成因类型,比较一致的地下水的来源理论：地球上的水圈是原始地壳生成后，氢和氧随同其易挥发组分从地球内部层圈逸出而形成。从形成地下水化学成分的基本成分出发，可将地下水分为三个主要成因类型：溶滤水、沉积水和内生水。,6.5.1 溶滤水,定义：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。,影响因素：溶滤水的成分受到岩性、气候、地貌等因素,由溶滤作用强度的影响因素，思考影响溶滤水的化学成分的因素？,第六章 地下水的物理性质和化学成分及其演变,1）岩性,石灰岩、白云岩分布区，地下水中以HCO3、Ca2+、Mg2+为主。含石膏的沉积岩区，水中SO42与Ca2+均较多。酸性岩浆岩地区的地下水，大都为HCO3Na型水。基性岩浆岩地区，地下水中常富含Mg2+。煤系地层分布区与金属矿床分布区多形成硫酸盐水。,第六章 地下水的物理性质和化学成分及其演变,2）气候,判断：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。,潮湿气候区,干旱气候下平原盆地的排泄区,大范围来看：溶滤作用主要受气候控制，显示气候控制的分带性。,第六章 地下水的物理性质和化学成分及其演变,3）地形干扰气候控制的分带性,切割强烈的山区：地下水径流条件好，水交替迅速，即使气候干旱，也不易发生蒸发浓缩，最终，常形成低矿化的以难溶离子为主的地下水。地势低平的平原与盆地：水交替缓慢，地下水的矿化度与易溶离子含量均较高。,干旱地区的山间堆积盆地，三种影响因素表现为统一的分带性，地下水化学分带也最为典型。,绝大部分地下水属于溶滤水。包括潜水，也包括大部分承压水。,第六章 地下水的物理性质和化学成分及其演变,3）地形干扰气候控制的分带性（P52）,同一含水系统的不同部位，由于径流条件与流程长短不同，水交替程度不同，从而出现水平的或垂向的水化学分带。,第六章 地下水的物理性质和化学成分及其演变,6.5.2 沉积水,定义：沉积水指与沉积物大体同时生成的古地下水,海相沉积物海相淤泥为例说明,海相淤泥通常含有大量有机质和各种微生物，处于缺氧环境，有利于生物化学作用。,海水的平均化学成分是矿化度35g/L的氯化钠水。,经过一系列的后期变化，海相淤泥沉积水与海水比较有以下不同：,第六章 地下水的物理性质和化学成分及其演变,矿化度很高，最高可达300g/L,钙的相对含量增大，钠的相对含量减少,硫酸根离子减少乃至消失,钠离子与钙离子平衡破坏，阳离子交替吸附,第六章 地下水的物理性质和化学成分及其演变,富集溴、碘；碘的含量升高尤为明显,出现硫化氢、甲烷、氮、铵,pH值增高（？）,细胞与蛋白质分解以及脱销酸作用的产物,生物富集并在其遗骸分解时进入水中所致。判断海相沉积的标志之一。,第六章 地下水的物理性质和化学成分及其演变,6.5.3 内生水,早在本世纪初，曾把温热地下水看作岩浆分异的产物。后来发现，在大多数情况下，温泉是大气降水渗入到深部加热后重新升到地表形成的。近些年来，某些学者通过对地热系统的热均衡分析得出，仅靠水渗入深部获得的热量无法解释某些高温水的出现，认为应有10%30%的来自地球深部层圈的高热流体的加入。这样，源自地球深部层圈的内生水说又逐渐为人们所重视。有人认为，深部高矿化卤水的化学成分也显示了内生水的影响。内生水的研究迄今还很不成熟，但由于它涉及水文地质学乃至地质学的一系列重大理论问题，因此，今后水文地质学的研究领域将向地球深部层圈扩展，更加重视内生水的研究。,第六章 地下水的物理性质和化学成分及其演变,6.6 地下水化学成分的分析内容与分类图示,6.6.1地下水化学成分的分析内容,地下水的总矿化度及化学成分表示式,一、离子表示方法,1）离子毫克数,利与弊,简分析与全分析,地下水补给来源的分析,第六章 地下水的物理性质和化学成分及其演变,2）离子毫克当量数,元素互相化合时，皆以当量为准。以离子在水中的当量数来表示化学成分，可以反映各种离子之间数量关系和水化学性质。,离子的当量=离子量（原子量）/离子价,1L水中某离子的毫克当量数=该离子的毫克数/该离子的当量,水中阴、阳离子的当量总数应该相等。否则就有错误，或者还有某些离子没有测出。据此原理，可以检查分析成果的正确性。,第六章 地下水的物理性质和化学成分及其演变,3）离子毫克当量百分数,为了将矿化度不同的水进行比较和确定水的化学类型，通常将阴阳离子当量总数各作为100%来计算。离子毫克当量百分数可按下公式计算：,第六章 地下水的物理性质和化学成分及其演变,二、库尔洛夫式表示法,库尔洛夫式是用分数的形式来表示水化学成分的，分子表示阴离子，分母表示阳离子，单位为毫克当量百分数，排列次序从左到右为含量减少方向。含量小于10%毫克当量的离子不列入示内。气体成分及特殊组分，矿化度（M），列在分式的左边，单位为g/L，右边列上水温（t），pH值等。表示式中各种含量一律标于该成分符合的右下角，将右下角的原子数移至右上角，例如：,第六章 地下水的物理性质和化学成分及其演变,例题现有河北某区水化学分析结果如下（单位：mg/L）离子成分：K+：27.40，Na+：12.46，Ca2+：66.56，Mg2+：16.14，NH4+：0.28，Cl：35.20，SO42：68.67，HCO3：160.49，NO3：61.66微量组分：F：0.11，Sr：0.37，H2SO3：17.78，CO2：1.33其他要素：M=386.51，