地下水形成作用.ppt

第六章 地下水化学成分及其形成作用,第六章 地下水的化学成分及其形成作用,主要内容：掌握地下水中主要气体成分，了解它们的来源及环境指示意义；掌握水中七种主要离子成分和它们的来源，以及七种主要离子成分与矿化度变化的关系；了解水化学成分的主要形成作用：溶滤作用、浓缩作用、脱硫酸作用、脱碳酸作用、阳离子吸附交替作用、混合作用和人类活动的作用，及其对地下水化学成分的影响；了解水化学成分的表达方式与分类。重难点：水中七种主要离子成分的来源，主要离子成分与矿化度变化的关系；溶滤作用和浓缩作用的过程、结果以及影响因素,6.1 概述,地下水是天然溶液。地下水在参与自然界水循环过程中，与大气圈、水圈与生物圈同时发生着水量交换、化学成分的交换（水质状况）。受到人类活动的影响。地下水的化学成分是地下水与环境-自然地理、地质背景及人类活动-长期相互作用的产物。一个地区地下水的化学面貌，反应了该地区地下水的历史演变。研究地下水的化学成分，可以帮助我们回溯地区地下水的水文地质历史，阐明地下水的起源与形成。水是最为常见的良好溶剂。水是地球元素迁移、分散与富集的载体。许多地质过程（岩溶、沉积、成岩、变质、成矿）都涉及地下水的作用。,第六章 地下水的物理性质及化学成分,水质确定，水的用途：工业原料，矿泉水，地下水元素的分散晕-找矿（盐矿，油田及金属矿床）或污染源研究角度：水文地质学的分支水文地球化学，研究内容是地下水中化学元素分散、迁移与富集的规律。不能从纯化学、孤立、静止地研究地下水的化学成分及其形成，而必须从水与环境长期相互作用的角度，揭示地下水化学演变的内在依据及规律。,第六章 地下水的物理性质及化学成分,6.2 地下水的化学特征,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一、地下水中常见的气体成分 主要有氧（O2）、氮（N2）、二氧化碳（CO2）、硫化氢（H2S）、甲烷（CH4），常见的气体成分与地下水所处环境，地下水的来源有关。,第六章 地下水的物理性质及化学成分,（1）氧（O2）、氮（N2）、来源：如果地下水中富含 O2与N2 也说明地下水是大气起源(随降水一起入渗进入地下含水层中)。大气起源的地下水中，N2 也可能独立存在。此外，氮还有生物起源与变质起源。指示意义：O2含量高指示氧化环境；N2单独存在，地下水起源于大气并处于封闭环境。,(2）硫化氢（H2S）、甲烷（CH4）来源：这两种气体，都是在封闭环境下生成的。如 H2S是在有机物与微生物参与的生物化学过程中形成，还原环境下地下水中的SO42-H2S，在成煤过程中，SO42-在还原作用下产生 H2S，使煤田水富含H2S。同理，甲烷是成油和油气藏形成过程的结果，油田水富含甲烷（CH4）。指示意义：富含 H2S和CH4 的地下水，指示封闭的还原环境。,（3）二氧化碳（CO2）大气降水中的 含量较低，地下水中 主要来源：主要源于土壤层（入渗过程溶于水中）：有机质残骸发酵产生、植物呼吸作用产生 碳酸盐岩地层的脱碳酸作用 深部高温下，变质作用生成 人类活动，在使用化石燃料（煤、石油、天然气）时，大气中的 增加 作用：地下水中 增加，水对碳酸盐岩的溶解、结晶岩风化溶解的能力愈强！,（4）地下水中气体成分特征小结：气体成分指示地下水所处的地球化学环境 氧化环境 还原环境 气体成分增加水对盐类的溶解能力促进水岩的化学反应（即相互作用）,二、地下水中主要离子成分（1）概述：地下水中组分很多，而分布广、含量多的主要有七种离子：阴离子：HCO3-，SO42-，Cl-，阳离子：Ca2+，Mg2+，K+，Na+离子成分含量与什么有关？各种元素的丰度（克拉克值）即某元素在地壳化学成分中的重量百分比 O Si Al Fe Ca Na K Mg Ti H 该元素组成的化合物在水中的溶解度 在自然界，丰度较高的元素，如Si、Al、Fe，在水中含量很低；而某些丰度较低的，如Cl、S、C，在水中含量却很高。这说明元素组成的化合物的溶解度起主要作用。,6.2 地下水的化学特征,（2）主要离子的相对含量与地下水中的总含盐量（TDS）关系常见地下水的化学成分特征，与地下水的矿化度（或TDS）具有以下关系：矿化度：低 中 高 阴离子：HCO3-，SO42-，Cl-，阳离子：Ca2+Ca2+、Mg2+，Na+K+为什么？先看看表6-1，找出表中规律。,我们可以得出主要离子构成的盐类溶解度的大小为：碳酸盐类 硫酸盐类 氯化物（氯盐）从表6-1，可以理解地下水水中主要离子含量与水的矿化度（或TDS）之间的关系。,表6 地下水中常见盐类的溶解度（0，单位：g/L）,1、氯离子(Cl-)（1）特点：是地下水中分布最广的离子，每升水中由数毫克至数百克不等。在高矿化度水中，C1-常占优势。不被植物吸收、不被土壤颗粒吸附、不易沉淀析出，是地下水中最稳定的离子，因此Cl-常常是水中含盐量多寡的标志。（2）来源：A、含岩盐的沉积岩或氯化物溶解；B、含氯化物的岩浆岩风化溶解；C、海水补给；D、火山堆积物的溶滤；E、人为污染：工业、生活污水及粪便。,2、硫酸根离子(SO42-)（1）特点：高矿化度水中，SO42-含量仅次于Cl-；中等矿化 度的水中，SO42-常称为含量最多的阴离子。（2）来源：A、主要为石膏及其它含硫酸盐的沉积物。B、天然硫和硫化物矿物的氧化作用（含黄铁 矿的煤系地层）也可以给地下水带来SO42-，如：2S十3O2十2H2O 4H+十2SO42-2FeS2十7O2十2H2O2FeSO4十4H+十2SO42-C、化石燃料，产生大量SO2，形成“酸雨”,3、重碳酸根离子(HCO3-)（1）特点：地下水中含量一般不超过1gL，因为HCO3-主要来源于碳酸盐类岩石，而它的溶解度很小，只有当地下水中存在CO2时才较易溶于水。通常以HCO3-为主要成分的地下水含盐量都不高，因此它是淡水的特征。（2）来源：A、在水中有一定量的CO2存在时，碳酸盐溶解。CaO3+H2O+CO2 2HCO3-+Ca2 MgO3+H2O+CO2 2HCO3-+Mg2 B、铝硅酸盐风化溶解。Na2Al2Si6O16十3H2O十2CO2 2HCO3-H4A12Si2O9十2CO3-十4SiO22Na+(钠长石)CaO2Al2O34SiO2+2CO2+5H2O 2HCO3-+Ca22H4Al2Si2O3(钙长石),4、钠离子(Na+)（1）特点：地下水中分布最广泛的阳离子，其含量可由每升数毫克至数十克。是高矿化度中主要阳离子。（2）来源：A、沉积岩中岩盐及其它的钠盐；B、海水或古海水的残余；C、火成岩与变质岩中某些含钠矿物(如钠长石)的风化溶解。2NaAlSi3O8十2H2O十CO24H4A12Si2O9十Na2CO3十4SiO2Na2CO3十H2O 2Na十HCO3-十OH-所以，在酸性火山岩地区可以形成HCO3-Na+型水。,5、钾离子(K+)（1）特点：钾离子(K+)的来源与Na+相似。在低矿化度中甚微，而在高矿化度中多。虽然地壳中钾的含量高，且钾盐的溶解度也很大，但是因为K+容易被粘土吸附，被植物吸收，同时参与形成难溶于水的次生矿物(如水云母、蒙脱石等)，所以在地下水中含量不如Na+大。由于K+、Na+性质相近，K+含量低，在地下水分析中，两者合并计算。（2）来源：A、钾盐沉积岩的溶解；B、岩浆岩、变质岩的钾岩矿物风化溶解。,6、钙离子(Ca2+)（1）特点：Ca2+在地下水中分布广，一般含量低。很少超过lg/L。因为Ca2+主要来源于地下水溶解碳酸盐类岩石，而这类岩石的溶解度很低。Ca2+的随着含盐量的增高，相对含量很快减少。由于CaCl2 的溶解度相当大，所以矿化度格外高时，Ca2+可以时主要阳离子（Na+）。（2）来源：A、碳酸盐的沉积物，膏盐沉积物；B、岩浆岩、变质岩含钙矿物的风化溶解。,7、镁离子(Mg2+)(1)特点：地下水中分布广，含量低，通常不作为地下水的主要离子。溶解度比Ca2+高，但一般含量比Ca2+低，这是因为Mg2+容易被植物吸收，同时参与次生矿物的组成。在富含铁镁矿物的超基性岩石发育地区，有时可以见到含Mg2+高的地下水。(2)来源:白云岩、变质岩、基性岩浆岩(如辉石、橄榄石等)的风化产物。如(Mg,Fe)2SiO4十2H20十2C02MgCO3十FeCO3十Si(OH)4 MgCO3十H20十CO2 Mg2+十2HCO3-,三、地下水中的其它成分,1、次要离子：如 H、Fe2+、Fe3+、Mn2+、NH4、OH-、N02-、NO3-、CO32-、SiO32-及P043-等。2、微量组分：Br、I、F、B、Sr等。3、胶体：Fe(OH)3、A1(OH)3，及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。,四、地下水的总矿化度及化学成分表示式,一、矿化度 1、定义：存在于地下水中的离子、分子及化合物的总含量（总溶解固体）。单位：g/L。矿化度包括所有可溶解物及胶体，但不包括游离状态的气体成分。矿化度表示水中含盐量的多少，即水的矿化程度。2、测定方法 A、蒸干测定法：在105-110 蒸干后 干涸残余物的含量。B、分析结果计算法：水样分析的阴阳离子相加，HCO3-只计取其含量的一半。2HCO3-CO32-+CO2+H2O,二、水化学成分表示-库尔洛夫式 库尔洛夫式表示方法：只表示离子的毫克当量百分数10者，且按递减的顺序排列，主要的阴阳离子分居于横线上下。分式的前端表示矿化度(M)及各种气体成分和特殊成分(Br-、I-等)，单位为g/L，后端表示水的温度t。含量标于符号的右下角，Cl20.8。若右下角有原子数时，将其移至右上角。,6.3 地下水的温度,地下水的温度变化主要受气温和地温的影响。地下水的热量来源于太阳辐射与地球内部的热流。1、地壳温度的分带性 地壳按热力状态从上而下分为变温带、年常温带和增温带。变温带地温受气温的影响呈周期性的昼夜、季节和年变化。随着深度的增加，变化幅度减小。常温带：温度变化幅度趋于零的温度相对稳定深度带。常温带的最大深度为3040m，在气温变化较小的海洋性气候地区，常温带深度较小，可为10m左右。,变温带,增温带,常温带,变温带12m，昼夜变化1530m地温年变化只有0.1,增温带：常温带以下的地温，主要受地球内部热力的影响，随着深度增加而有规律地升高的地带。,2.地下水的温度受其赋存与循环处所的地温控制。变温带：浅埋地下水显示微小的水温季节变化。常温带：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：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。,地下水水温的计算：已知年平均气温（t）、年常温带深度（h）、地温梯度（r）时，可概略计算某一深度（H）的地下水水温（T），即：地下水循环深度计算：利用地下水水温（T），可以推算其大致循环深度（H），即：地温梯度的平均值约为3100m。通常变化于1.54l00m之间，但个别新火山活动区可以很高。如西藏羊八井的地温梯度为300100m。,地下水按温度分类 1、过冷水：100 地下水温度的测定 泉水的温度，测测量泉的出口处；井水温度则测近井底处。,6.4 地下水化学成分的形成作用,本节讨论的地下水化学成分的形成作用包括：溶滤作用水与岩的相互作用，经常发生 浓缩作用蒸发排泄条件下发生 脱碳酸作用在温度与压力发生变化时发生 脱硫酸作用在还原环境下发生，阴离子交替吸附作用岩土表面吸附阳离子与水中 阳离子的作用 混合作用2种或以上不同类型地下水交汇 混合时发生 人为活动的作用,一、溶滤作用 1、定义：在地下水与岩土相互作用下，岩土中某些组分向地下水中转移的过程，其结果是，岩土失去部分可溶物质，地下水中获得相应的化学组分，通常水的矿化度会增高。如：2、影响因素（水和岩两个方面考虑）岩土的化学组分及组分的可溶性：通常流经什么样岩土，就会有什么样的水化学特征；与组分的溶解度和溶解速度有关：盐分溶解度的差异，使易溶组分很快进入水中，而难溶组分缓慢进入水中。如：石灰岩地区常见 HCO3-+Ca2+水、花岗岩地区常见 HCO3-+Na+水,6.4 地下水化学成分的形成作用-溶滤作用,水的溶解能力：与水的矿化度（TDS）、气体组分(CO2、O2)含量有关a.水中已溶组分的多少即水的矿化度大小，随着盐份在水中的含量增高，水的溶解能力逐渐降低；b.水中某些气体组分含量越高，如CO2、O2，可以增相应盐类的溶解度(碳酸盐类,硫化物的氧化）通常，入渗到地下的水（如降水、河水等），矿化度很低，随着水在地下含水岩层的运移，与岩土发生溶滤作用后，不断有新的盐份被溶解到水中，地下水的矿化度（TDS）增高，水的溶解能力就会下降。请思考：如此下去，最终地下水的溶解能力0，溶滤作用将会停止吗？为什么？地下水是如何保持它的溶解能力的,6.4 地下水化学成分的形成作用-溶滤作用,地下水的流动（交替）性：地下水的流动性是维系水的溶解能力的条件。而地下水的流动性取决于水的径流和交替强度（即V与Q）：停滞与流动很缓慢的地下水，溶解能力最终会降低为零，溶滤作用很弱;地下水流动速度快，水交替（更新）迅速，CO2,O2不断被补充，低TDS水不断更新已经降低溶解能力的水，保持水的溶解能力。请思考：如果某一地区，地下水流动很快，水交替（循环）迅速，水化学特征如何？也就是说，某一地区溶滤作用进行的很强烈，长期作用结果地下水中的矿化度高（TDS）如何？水中阴离子和水中阳离子以什么为主？,6.4 地下水化学成分的形成作用-溶滤作用,3、溶滤作用的结果：长期强烈溶滤作用的结果，地下水以低矿化度的难溶离子为主，如 HCO3-Ca或 HCO3-CaMg水。这是由溶滤作用的阶段性决定的！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。开始阶段水流作用，Cl盐最易溶水中随水带去，不断转入岩层中 Cl盐贫化 随后，相对易溶的SO42-盐也被溶入水中随水带走，岩层中 SO42-盐也贫化 最后（岩土中），只剩较难溶的碳酸盐类，溶滤的结果水中的化学成分就以较难溶的碳酸盐（或硅酸盐）为主。,6.4 地下水化学成分的形成作用-溶滤作用,4、溶滤作用小结：溶滤作用需要从地质历史发展的眼光（角度）来理解的，即长期的过程，是地质历史时期长期作用的结果。地下水是不断运动的，溶解的组分会被水流带走。前期溶滤作用，地下水中成分体现水流经的地层岩性特征；后期溶滤作用的结果长期强烈溶滤作用的结果，地下水呈低矿化的难溶组分特点。,6.4 地下水化学成分的形成作用-溶滤作用,定义：地下水在蒸发排泄条件下，水分不断失去，盐分相对浓集，而引起的一系列地下水化学成分的变化过程。发生浓缩作用的条件是，以蒸发作用为主的干旱办干旱地区，集中排泄的地带。浓缩作用的结果：往往形成高矿化度的以易溶离子为主的地下水（Cl-，Na+为主的）HCO3-、Ca2+、Mg2+SO42-、Na+Cl-、Na+低矿化度 中矿化度 高矿化度 浓缩作用的影响因素-与蒸发排泄的影响因素相同。因此，地下水化学成分形成作用受区域自然地理与地质条件的影响，地下水的化学特征往往具有一定的分带性（空间上的）。,二、浓缩作用,6.4 地下水化学成分的形成作用-浓缩作用,浓缩作用的基本条件：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 最后一个必备的条件是地下水流动系统的势汇排泄处，因为只有水分源源不断地向某一范围供应，才能从别处带来大量的盐分，并使之集聚。,6.4 地下水化学成分的形成作用-浓缩作用,1、发生条件：环境的温度和压力变化。水中CO2的溶解度受环境的温度和压力控制。CO2的溶解度随环境温度升高或压力降低而减小，水中部分CO2逸出，HCO3-会与Ca2+、Mg2+形成CaCO3、MgCO3沉淀析出，称为脱碳酸作用。Ca2+十2 HCO3-CO2 十H2O十CaCO3 Mg2+十2 HCO3-CO2 十H2O十MgCO3 2.脱碳酸作用的结果：水中HCO3-及Ca2+、Mg2+减少，矿化度降低，PH值（略低），地下水中溶解碳酸盐石的能力降低。,三、脱碳酸作用（钟乳石、石笋、泉华均是脱碳酸作用的结果）,灰岩区深部地下水上升到泉口附近形成泉华，就是脱碳酸作用的产物。岩溶的堆积物也是此类。温度较高的深层地下水，由于脱碳酸作用使 Ca2+、Mg2+从水中析出，阳离子通常以 Na+为主。,Spring Sinter in the Yellowstone National Park,USA(1),四、脱硫酸作用 在深部缺氧的还原环境中，存在有机质时，脱硫酸细菌能使SO42-还原为H2S。结果使地下水中SO42-减少甚至消失，HCO3-增加，pH 变大。这种作用称为脱硫酸作用（微生物与有机质参与的生物化学反应）。在封闭储油构造中，是脱硫酸作用有利环境。某些深层地下水中SO42-含量低，富含H2S气体，作为寻找油田的辅助标志。,五、阳离子交替吸附作用 定义：岩土颗粒表面往往带有负电荷，可以吸附某些阳离子。当地下水与岩土表面接触时，地下水中某些阳离子会与被吸附的阳离子发生交换，从而导致地下水的化学成分发生变化。2Na+Ca2+Ca2+2Na+等价交换和质量作用定律 吸附力顺序：H+Fe3+Al3+Ca2+Mg2+K+Na+。除H+以外，离子半径愈大，价愈高，吸附能力愈大。,交替吸附作用决定于离子的吸附力和离子的浓度。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。阳离子交替吸附作用的规模取决于岩土的吸附能力：岩土中粘土矿物含量及颗粒大小,六、混合作用 当两种或两种以上不同成分的地下水相遇后，产生化学反应，导致地下水在成分与矿化度发生变化 海水入侵；热、冷水混合；不同含水层地下水混合 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,2、作用结果：混合作用，发生化学作用可能形成化学类型完全不同的地下水；两种水的混合，也可能不产生明显的化学反应，此时，混合水的矿化度与化学类型取决于参与混合的两种水的成分及其混合比例 分析地下水的化学成分，不能用孤立的，静止的方法去套上述“作用”，应视具体条件，用综合的、发展的观点，抓住主要的问题去分析，把握。,七、人类对在地下水化学成分的影响,（一）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。（二）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。人类干预自然的能力正在迅速增强，因此，防止人类活动对地下水水质的不利影响，采用人为措施使地下水水质向有利方向演变，愈来愈重要了。,6.5 地下水化学成分的基本成因类型,从形成地下水化学成分的基本成分出发，地下水分为三个主要成因类型：溶滤水、沉积水和内生水。一、溶滤水 1、定义：富含CO2与O2的入渗的地下水，溶滤它所流经的岩土获得其主要化学成分，称之为溶滤水。绝大部分地下水属于溶滤水。绝大部分地下水属于溶滤水。这即包括潜水，也包括大部分承压水。2、影响因素：溶滤水的成分受到岩性、气候、地貌等因素的影响。,岩性的影响 石灰岩、白云岩区的地下水，HCO3-、Ca2+、Mg2+为其主要成分。膏岩区，水中SO42-与Ca2+均较多。酸性岩浆岩区的地下水，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多形成硫酸盐水。,6.5 地下水化学成分的基本成因类型溶滤水,从大范围说，溶滤作用主要受控于气候，显示受气候控制的分带性。潮湿气候区，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，其浅表部最终浅层地下水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。干旱气候区盆地，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。,6.5 地下水化学成分的基本成因类型溶滤水,地形因素是通过干扰气候，而控制和影响溶滤水的分带性 在切割强烈的山区，地下水径流条件好，流动迅速、即使在干旱地区也不会发生浓缩作用，因此常形成低矿化的以难溶离子为主地下水。地势低平的平原或盆地，地下水径流缓慢，水更新缓慢，地下水的矿化度与含易溶离子均较高。,6.5 地下水化学成分的基本成因类型溶滤水,干旱地区的山间堆积盆地，气候、岩性、地形表现为统一的分带性，地下水化学分带也最为典型。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。,6.5 地下水化学成分的基本成因类型溶滤水,构造与水动力条件 位置较浅或构造开启性好的含水系统，由于其径流途径短，流动相对较快，溶滤作用发育，多形成低矿化的重碳酸盐水。构造较为封闭的，位置较深的含水系统，则形成矿化度较高，易溶离子为主的地下水。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。,6.5 地下水化学成分的基本成因类型溶滤水,6.5 地下水化学成分的基本成因类型沉积水,二、沉积水 沉积水：是指与沉积物大体同时生成的古地下水。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。以海相淤泥为例说明：海相淤泥：含大量有机质、各种微生物，处于缺氧环境，有利于生物化学作用经历后期变化，海相淤泥沉积水与海水比较的不同：（1）矿化度高，最高可达300g/L；（2）硫酸根离子减少乃至消失；（3）钙的相对含量增大，钠相对含量减少。（4）富集溴、碘（碘的含量升高显著），变小；（5）出现硫化氢、甲烷、铵、氮；（6）pH值增高。,沉积水后期改造：埋藏在地层中的沉积水，受地壳运动影响，在构造开启性变好时，经过长期入渗淋滤，沉积水可能为溶滤水所替换。在构造开启性不十分好时，在含水层补给区可以出现溶滤水和沉积水的混合，而在深部保留高矿化的以易溶离子为主的沉积水。,6.5 地下水化学成分的基本成因类型沉积水,三、内生水 内生水是指源自地球深部层圈岩浆分异的产物。如来自深部的温泉，在地热系统的热均衡分析得出，某些高温水的出现，应有1030的来自地球深部层圈的高热流体的加入（内生水）。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。,6.5 地下水化学成分的基本成因类型内生水,6.6 地下水化学成分的分析与分类图示,一、总矿化度（TDS）与库尔洛夫式（1）总矿化度（TDS）总含盐量（TDS 或M表示）：地下水中各种离子、分子与化合物的总量，称之为。求算方法:在105110温度下，水样烘干后的干涸残余物质，单位：g/L，mg/L(ppm)计算中，用水样全分析实验结果，计算阴阳离子总和，其中 HCO3-含量计算一半。据矿化度的水样分类：,（2）库尔洛夫式库尔洛夫式是水化学成分特征的简单表示方法。表示形式是分式：分式的上下：分别标示阴阳离子的相对含量，按毫克当量百分数自大而小顺序排列，小于10的离子不予表示。分式横线前：表示气体成分、特殊成分及矿化度（以字母M为代号），单位为g/L，分式横线后：表示以摄氏计的水温，以字母t为代号 例如某水样的库尔洛夫式为：,6.6 地下水化学成分的分析与分类图示,二、地下水化学成分分析内容 根据需要，分析内容多少，分为简分析、全分析、专门性分析或污染分析等。简分析指标：分析项目少，精度要求低，简便快速，成本低，容易掌握。物理性质（温度、颜色、透明度、嗅味、味道等）主要离子：HCO3-、SO42-、Cl、Ca2+、计算：总硬度、pH值，根据分析结果计算水中各主要离子含量及总矿化度。,6.6 地下水化学成分的分析与分类图示,全分析指标：在简分析的基础上选择有代表性的水样进行分析，精度要求较高，以较全面地了解地下水的化学成分。物理性质（温度、颜色、透明度、嗅味、味道等）分析项：HCO3-、SO42-Cl-、CO32-、NO2-、NO3-、Ca2+、Mg2+、K+、Na+、NH4+、Fe2+、Fe3+、H2S、CO2、耗氧量、pH值及干涸残余物。分析结果的表示方法：离子含量：毫克升，毫克当量升。离子的相对含量：分别用阴、阳离子毫克当量升和毫克当量百分数表示。取阴、阳离子的毫克当量为100，求取各阴、阳离子所占的毫克当量百分比。,6.6 地下水化学成分的分析与分类图示,化学分析资料的整理,地下水化学成分的分析结果用毫克升（mg/L）作为单位，资料整理过程与要求是：1、用毫克当量/升(meq/L)和毫克当量百分（meq%）来表示水分析结果；2、计算分析误差，用百分数表示；3、计算水的各种硬度；4、写出库尔洛夫式，并按表示式确定水的类型。,例题 某水样化学分析结果具有下列成分：Na+十K+39.55mg/L Ca2+557.49mg/L Mg2+115.22mg/L Cl-29.26mg/L SO42-1648.50mg/L HCO3-176.90mg/L 游离CO2 17.80mg/L H2S 1.48mg/L 水温 41.5 110 时的干涸残余物 2700.00mg/L 水分析资料整理过程如下：1、毫克升换算为毫克当量升及毫克当量百分数 计算公式 毫克当量/升（毫克/升）/当量 Ca 2+为557.49 mgL，换算为 557.49/20.0427.82meqL，20.04为Ca 2+的当量。,用同样方法可以把其它离子含量换算结果见下表.,毫克当量百分数（阴阳离子毫克当量总数各作为100来计)的计算：如，C1-为0.83meq/L，则其毫克当量百分数为：0.83/38.051002.18 38.05为阴离子毫克当量总数升。用同样方法换算其它离子。,2、计算分析误差 分析误差用下式计算：k阳离子总含量，meq/L；a阴离子总合量，meq/L。将表中分析数据代入上式，则得：全分析时允许分析误差术超过2，简分析不超过5%。,3、计算水的各种硬度 水的总硬度计算：HCa2+Mg2+27.82+9.48 37.30 meq/L，极硬水。暂时硬度计算:计算水的暂时硬度时，需要考虑Ca2+和Mg2+的毫克当量总数与HCO3-毫克当量之间的两种可能关系：、如Ca2+Mg2+HCO3-（meq/L），则暂时硬度即等于总硬度。因为它不可能大于总硬度；、当Ca2+Mg2+HCO3-时，则水的暂时硬度小于总硬度，并等于的HCO3-的含量（meq/L）。本水样属第二种关系，27.82+9.482.90，所以暂时硬度等于2.90meq/L。永久硬度：总硬度-暂时硬度=37.302.90=34.40 meq/L。,4、用库尔洛夫式表示水分析结果，确定水的类型 确定水的类型，只考虑毫克当量百分数含量25%的离子，有多种离子25%，则命名时将含量小的放在前面。按此规则本实例为硫酸钙型水。,三、地下水按化学成分的分类,在相似的自然条件下所形成的地下水化学成分也相似，表现在水的离子组合及某些特殊元素的富集等方面，这就是水的化学成分分类的基础。某一类型的地下水可以反映出它形成的自然环境。因此，分类的要求是要能够把相同成因和相同化学特点的水归纳到一起，这样就便于研究地下水各方面的规律。在此介绍一种方法，即舒卡列夫分类法。,6.6 地下水化学成分的分析与分类图示,舒卡列夫分类根据地下水中六种主要离子（K+合并于Na+）划分的。将毫克当量百分数含量大于25的阴、阳离子进行不同组合，把地下水共分为49种化学类型。其次，再加上矿化度大小分为4组，即 A1.5g/L，B1.510g/L C1040g/L D40g/L,例如第一类为自然界中广泛分布的重碳酸钙(HCO3-Ca)型水，第49类为氯化钠（ClNa)型水等等。重碳酸钙型水是沉积岩地区典型的溶滤水，而氯化钠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重碳酸钙钠(HCO3Ca-Na)型水。则表示阳离子中Ca2+的毫克当量百分数含量大于Na+。,四、地下水的化学成分的图示法,1、派珀三线图解(),左下三角形的三边分别代表阳离子中Na+K+、Ca2+、Mg2+的毫克当量百分数。阴离子Cl-、SO42-、HCO3-表示在右下角三角形。水样的阴阳离子的相对含量分别在两个角形中标示。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。,分区特征：落在菱形中不同区域的水样具有不同化学特征（图65）：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。,优点：不受人为影响，可看出水样的一般化学特征，看出各种离子的相对含量。将一个地区的水样标在图上，可以分析地下水化学成分的演变规律。,2、柱状图示法,将主要阴阳离子的毫克当量百分数，分别表示在两个并列的柱状图上，阴、阳离子从下而上的顺序是Ca2+、Mg2+、K+Na+及HCO3-、SO42-、C1-。此法可以大致估计水中盐类存在的形式。从图中可看出水中可能存在有 Ca(HCO3)2、Mg(HCO3)2、MgSO4、MgCl2、NaCl等盐类。,K+Na+,Mg 2+,Ca2+,C1-,SO42-,HCO3-,3、圆形图示法,将圆等分为10个等分，外环表示阳离子的毫克当量百分数。内环表示阴离子的毫克当量百分数。中心部分表示矿化度大小。正上为起点，逆时针标示阴阳离子。排列顺序为阳离子 Ca2+、Mg2+、Na+，阴离子HCO3-、SO42-、C1-。,4、玫瑰花图示法,将圆六等分(也可按主要离子数来等分圆)。半径100等分。阳、阴离子离子按毫克当量标注于图上。将各标注点连接起来即得形玫瑰图。这种图可以看出水的类型，不同时期的水样取在图上叠加后，可对比成分变化。,本章小结 1、地下水中气体含量较低，但有很重要的指示意义。2、地下水化学成分常见的有七种离子，即：HCO3-、SO42-、Cl、Ca2+、Mg2+、Na+、K+。3、地下水中常见离子的相对含量与地下水的矿化度密切相关，即：高矿化度以易溶离子为主，低矿化度以难溶离子为主。4、溶滤作用是地下水化学成分形成的主要作用，自然界大多地下水为溶滤水。5、除溶滤作用外，其他地下水化学成分的形成作用，需要在一定条件下才能发生.,