地下水的化学组分及其演变.ppt
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1、第七章 地下水的化学组分及其演变,1 概述 地下水化学特征 地下水中的微生物 地下水的温度 地下水化学组分形成作用 地下水基本成因类型及其化学特征 地下水化学式成分分析及其图示,7 地下水的化学组分及其演变,第一节.概述,7 地下水的化学组分及其演变,地下水不是化学纯的H2O,而是一种复杂的溶液。天然:人为:人类活动对地下水化学成分产生影响。地下水的化学成分是地下水与环境、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。水是最为常见的良好溶剂,可溶解、搬运岩土中的某些组分。水是地球中元素迁移富集的载体。利用地下水,各种行业对水质都有一定的要求进行水质评价
2、。,概述,7 地下水的化学组分及其演变,7 地下水的化学组分及其演变,第二节.地下水化学特征,7 地下水的化学组分及其演变,地下水中含有各种气体、离子、胶体、有机质以及微生物。1地下水中主要气体成分O2、N2、CO2、CH4、H2S等。1)O2、N2地下水中的O2、N2主要来源于大气。地下水中的O2含量多说明地下水处于氧化环境。在较封闭的环境中O2耗尽,只留下N2,通常说明地下水起源于大气,并处于还原环境。,地下水化学特征,7 地下水的化学组分及其演变,2)H2S、甲烷(CH4)地下水中出现H2S、CH4,其意义恰好与出现O2相反,说明处于还原的地球化学环境。3)CO2CO2主要来源于土壤。化
3、石燃料(煤、石油、天然气)CO2(温室气体)温室效应全球变暖。地下水中含CO2愈多,其溶解碳酸盐岩的能力便愈强。,7 地下水的化学组分及其演变,溶解性总固体(total dissolved solids):溶解性总固体是指溶解在水中的无机盐和有机物的总称(不包括悬浮物和溶解气体等非固体组分),用缩略词TDS表示测定:一般以105 110C时将水蒸干所得的干涸残余物总量来表示溶解性总固体(TDS)将分析所得阴阳离子含量相加,相加时HCO3只取重量的一半,因为在蒸干时,有近一半的HCO3分解为CO2、H2O而逸失。总矿化度:溶于水中的离子、分子与化合物的总和。,2地下水中主要离子成分,7 地下水的
4、化学组分及其演变,总硬度水中所含钙离子和镁离子的总量。按照溶解性总固体含量,将地下水分类如下:淡水50,7 地下水的化学组分及其演变,7大离子:Cl、SO42、HCO3、Na、K、Ca2、Mg2。低TDS水中:HCO3、Ca2+、Mg2+为主(难溶物质为主);中矿化水中:SO42、Na+、Ca2+为主;高矿化水中:Cl、Na+为主(易溶物质为主)。造成这种现象的主要原因是水中盐类溶解度的不同:,7 地下水的化学组分及其演变,主要出现在高矿化水中,可达几g/L 100g/L以上。来源:来自沉积岩氯化物的溶解;来自岩浆岩中含氯矿物的风化溶解;来自海水;来自火山喷发物的溶滤;人为污染:工业、生活污水
5、及粪便中含有大量Cl,因此居民点附近矿化度不高的地下水中,如Cl含量超过寻常,则说明很可能已受到污染。,)Cl,7 地下水的化学组分及其演变,特点:Cl不为植物及细菌所摄取,不被土粒表面所吸附,氯盐溶解度大,不易沉淀析出,是地下水中最稳定的离子;Cl含量随着矿化度增长而不断增加,Cl的含量常可用来说明地下水的化学演变的历程。,7 地下水的化学组分及其演变,中等矿化的地下水中,SO42为主要阴离子。来源:含石膏(CaSO42H2O)或其它硫酸盐的沉积岩的溶解;硫化物的氧化:2FeS2+7O2+2H2O2FeSO4+4H+2SO42(黄铁矿),2)SO42,7 地下水的化学组分及其演变,注意:由于
6、煤系地层(CP)常含有很多黄铁矿(硫铁矿),因此流经这类地层的地下水往往以SO42为主;金属硫化物矿床附近的地下水中常含有大量的SO42;煤的燃烧产生大量SO2,与大气中的水汽结合形成含硫酸的降雨酸雨,从而使地下水中SO42增加;在我国能源消耗中,煤占70%以上,我国每年向大气排放的SO2已达1800104t之多,因此,地下水中SO42的这一来源不容忽视。,7 地下水的化学组分及其演变,低矿化水的主要阴离子。来源:含碳酸盐的沉积盐(石灰岩、白云岩)与变质岩(大理盐):CaCO3+H2O+CO22HCO3+Ca2+MgCO3+H2O+CO22HCO3+Mg2+岩浆岩与变质岩地区,HCO3主要来源
7、于铝硅酸盐矿物的风化溶解。,)HCO3,7 地下水的化学组分及其演变,高矿化水中的主要阳离子。来源:沉积岩中岩盐及其它钠盐的溶解;海水;岩浆岩和变质岩地区含钠矿物的风化溶解;酸性岩浆岩中大量含钠矿物,在CO2、H2O的参与下,将形成低矿化的以Na+、HCO3为主的地下水。,)Na+,7 地下水的化学组分及其演变,高矿化水中含量较多。来源与分布特点与Na+相近:含钾盐类沉积岩的溶解;岩浆岩、变质岩中含钾矿物的风化溶解。在地壳中K与Na的含量相近,但在地下水中K+的含量比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);易为植物所摄取。由于K+含量少,分析比较
8、费事,所以一般将K+归并到Na+中,不另区分。,)K+,7 地下水的化学组分及其演变,是低矿化水中的主要阳离子。高矿化水中,因阴离子主要为Cl-,而CaCl2的溶解度相当大,故Ca2+的绝对含量显著增大,但仍远低于Na+。矿化度格外高的水,钙也可成为主要离子。来源:碳酸盐类沉积物及含石膏沉积物的溶解;岩浆岩、变质岩中含钙矿物的风化溶解。,)Ca2+,7 地下水的化学组分及其演变,来源及分布与Ca2+相近:含镁的碳酸盐类沉积岩(白云盐、泥灰盐);岩浆岩、变质岩中含镁矿物的风化溶解。Mg2+在低矿化水中通常含量较Ca2+少。地下水中各种离子的测定方法,参阅水质分析的有关书籍。,)Mg2+,7 地下
9、水的化学组分及其演变,地下水中存在多种同位素,最有意义的是氢、氧、碳的同位素。高度效应:指2H、18O等重同位素丰度随降水高程增高而降低的规律。大陆效应:指重同位素丰度有随远离水汽来源的海洋而降低的趋势。利用地下水中氚及碳-14的含量,可以测定地下水平均贮留时间(年龄)。同位素方法在水文地质学研究中已经成为不可缺少的技术手段。,3地下水中的同位素组分,7 地下水的化学组分及其演变,除主要离子(七大离子)外,地下水中还有其他成分:1)次要离子:H+、Fe2+、Fe3+、Mn2+、NH4+、OH、NO2、NO3、CO32、SiO32、PO43等;2)微量组分(元素):Br、I、F、B、Sr等;3)
10、胶体成分:Fe(OH)3、Al(OH)3、H2SiO3等;4)有机体;5)微生物:如氧化环境中存在:硫细菌、铁细菌;还原环境中存在:脱硫酸细菌;在污水中:各种致病细菌。,4.地下水中的其他成分,7 地下水的化学组分及其演变,第三节.地下水中的微生物,7 地下水的化学组分及其演变,地下水中的微生物,主要有以下作用:参与地下水化学形成作用,改变地下水组分;生物修复地下水污染;改变含水介质特性;参与成岩作用;参与成矿作用(陈骏等,2004;李政红等,2007)。微生物是氧化还原作用的触媒。许多地下水化学形成作用是生物地球化学过程,都有微生物的参与。例如,脱硫酸作用:SO42+2C+2H2OH2S+2
11、HCO3,7 地下水的化学组分及其演变,污染地下水的生物修复,是最有潜力的污染修复方式。1、作为触媒使有机污染物氧化为二氧化碳而降解。2、能够吸附重金属离子,通过触媒作用还原或氧化金属和准金属而改变其活动性。可溶岩喀斯特化一直被认为是化学作用的结果,现在发现,存在多种微生物的生物化学作用,影响碳酸盐的溶解与沉淀。,7 地下水的化学组分及其演变,微生物在成矿中发挥重要作用。1、带负电荷的微生物细胞表面能键和金属离子,被键合的金属离子与阴离子反应,形成盐类沉淀。2、微生物代谢有机物形成有利于矿床堆积的物理化学环境。微生物几乎参与了所有的地质过程,原先认为是无机的地质作用,其实都是有机的(陈骏等,2
12、006;汪晶先,2003),地质微生物学作为一门交叉学科正存蓬勃兴起,对于解决水文地质学面对的理论及实际问题,有着难以估量的意义,水文地质工作者需要扩展视野,参与地质微生物的探索与发展。,7 地下水的化学组分及其演变,第四节.地下水的温度,7 地下水的化学组分及其演变,地壳表层可分为3个带:1)变温带:受太阳辐射影响,地温随昼夜与季节变化;15-30m2)常温带:地温接近常数,一般比当地年平均气温高2;3)增温带:受地球内部热流的影响,随深度加大地温升高。地温梯度()是指每增加单位深度时,地温的增值。单位:/100m。地温梯度的平均值为3/100m,一般1.5 4/100m。,7 地下水的化学
13、组分及其演变,地下水的温度受地温控制:1)变温带地下水:水温有较小的季节性变化;2)常温带地下水:水温与当地平均气温接近;3)增温带地下水:随地温梯度的增加而增加,甚至成为热水。,7 地下水的化学组分及其演变,两个公式:利用地温梯度(),概略计算某一深度的地下水水温(T):T=t+(h)式中:t年平均气温;H地下水埋深;h常温带深度。利用地下水温(T),推算其大致循环深度(H):,7 地下水的化学组分及其演变,第五节.地下水化学成分形成作用,7 地下水的化学组分及其演变,地下水主要来源于大气降水,大气降水的矿化度一般为0.020.05g/L,进入含水层后,水与岩土作用,矿化度升高,化学成分发生
14、变化。地下水化学成分形成作用主要分为6种作用1种影响。1、溶滤作用2、浓缩作用3、脱碳酸作用4、脱硫酸作用5、阳离子交替吸附作用6、混合作用7、人类活动对地下水化学成分的影响,7 地下水的化学组分及其演变,溶滤作用在水与岩土相互作用下,岩土中一部分物质转入地下水中。,1溶滤作用,7 地下水的化学组分及其演变,盐类溶解与温度有关,1溶滤作用,7 地下水的化学组分及其演变,溶滤作用的结果:岩土失去一部分可溶物质;地下水则补充了新的组分。PS:狭义的溶滤作用与溶解作用在内涵上的区别 溶滤作用:在不破坏晶体结晶格架情况下,部分组分进入地下水中的作用。如难溶的硅铝酸盐中的某些成分。溶解作用:破坏了矿物的
15、结晶格架,使矿物的全部成分进入地下水中。如氯化钠。,1溶滤作用,7 地下水的化学组分及其演变,影响溶滤作用的因素:1)岩土中矿物盐类的溶解度:首先:NaCl迅速转入水中,SiO2很难溶于水中。2)岩土的空隙:空隙发育,溶滤作用强,否则弱。3)水的溶解性总固体含量:低矿化水溶解能力强,而高矿化水溶解能力弱。,1溶滤作用,7 地下水的化学组分及其演变,4)水中CO2、O2等气体成分:水中CO2含量愈高,溶解碳酸盐及硅酸盐的能力愈强。水中O2含量愈高,溶解硫化物的能力愈强。5)水的流动状况:停滞的地下水,最终将失去溶解能力;流动的地下水,经常保持强的溶解能力。地下水的径流与交替强度是决定溶滤作用强度
16、的最活跃、最关键的因素。,7 地下水的化学组分及其演变,溶滤作用具有时间上的阶段性和空间上的差异性。在时间上:一个地区经受溶滤作用愈强烈,时间愈长,地下水的矿化度愈低,愈是以难溶离子为其主要成分。,7 地下水的化学组分及其演变,在空间上: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,地下水的径流与交替愈迅速,地下水的矿化度愈低,难溶离子的相对含量也就愈高。,7 地下水的化学组分及其演变,主要发生在干旱半干旱地区的平原与盆地的低洼处。当地下水位埋藏较浅时,蒸发强烈,蒸发成为地下水的主要排泄去路。随着时间的增加,地下水溶液逐渐浓缩,M增大。随着矿化度的上升,溶解度较小
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- 地下水 化学 组分 及其 演变
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