工学水文地质学地下水的化学成分及其形成作用
6第六章__地下水的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6．1概述地下水不是化学纯的H 2O ，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。
6．2地下水的化学特征1．地下水中主要气体成分O 2、N 2 、CO 2、CH 4、H 2S 等。
1）O 2 、N 2地下水中的O 2 、N 2主要来源于大气。
地下水中的O 2含量多→说明地下水处于氧化环境。
在较封闭的环境中O 2耗尽，只留下N 2，通常说明地下水起源于大气，并处于还原环境。
2）H 2S 、甲烷（CH 4）发生化学反应岩石圈水圈交换化学成分地下水中出现H 2S 、CH 4 ，其意义恰好与出现O 2相反，说明→处于还原的地球化学环境。
3）CO 2CO 2主要来源于土壤。
化石燃料（煤、石油、天然气）→CO 2（温室气体）→温室效应→全球变暖。
地下水中含CO 2愈多，其溶解碳酸盐岩的能力便愈强。
2．地下水中主要离子成分7大离子：Cl -、SO 42-、HCO 3-、Na +、K +、Ca 2+、Mg 2+。
低矿化水中（M<1~2g/L ）：HCO 3-、Ca 2+、Mg 2+为主（难溶物质为主）；中矿化水中（M=2~5g/L ）：SO 42-、Na +、Ca 2+为主； 高矿化水中（M>5g/L ）：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： １）Cl -主要出现在高矿化水中，可达几g/L ~ 100g/L 以上。
来源：① 来自沉积岩氯化物的溶解；② 来自岩浆岩中含氯矿物的风化溶解；碳酸盐溶 解 度矿 化 度小低H C O 3-S O 42-C l-大高硫酸盐氯盐③来自海水；④来自火山喷发物的溶滤；⑤人为污染：工业、生活污水及粪便中含有大量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。
《水文地质学》第4章 地下水的化学成分及其形成
•地下水的化学特征•地下水化学成分的形成作用•地下水化学成分的基本成因类型•地下水化学成分的分析内容与分类图示1、地下水中主要气体成分氧、氮、硫化氢、二氧化碳2、地下水中气体成分及其反映的地球化学环境（1）地下水中溶解氧含量越多，说明其所处的地球化学环境愈有利于氧化作用进行；（2）氮气的单独存在，常可说明地下水起源于大气并处于还原环境；（3）硫化氢的出现说明地下水处于缺氧的还原环境；（4）地下水中二氧化碳愈多，其溶解碳酸盐类的能力以及对结晶岩类进行风化作用的能力愈强。
1、地下水中主要离子成分氯离子、硫酸根离子、重碳酸根离子、钠离子、钾离子、钙离子、镁离子2、离子成分与矿化度的变化（1）矿化度发生变化，地下水中占主要地位的离子成分也随之发生变化。
低矿化度水中常以碳酸根离子、钙离子与镁离子为主；（2）高矿化水则以氯离子与钠离子为主；（3）中等矿化水中，阴离子常以硫酸根离子为主，主要阳离子可以是钠离子，也可以是钙离子。
1、微量成分Br、I、B、Sr、Ba等；2、胶体Fe(OH)3、Al(OH)3、SiO2及有机质胶体；3、微生物（如硫细菌、脱氧细菌等）；4、物理性质（如温度、透明度、颜色、放射性等）。
1、地下水的总矿化度（g/L）地下水中所含各种离子、分子与化合物的总量成为总矿化度；2、库尔洛夫式1、溶滤作用：在水与岩土相互作用下，岩土中的一部分物质转入地下水中，即为溶滤作用；溶滤作用结晶作用2、影响溶滤作用强度的因素（1）组成岩土的矿物盐类的溶解度；（2）岩土的空隙特征；（3）水的溶解能力；（4）水中二氧化碳、氧气等气体成分的含量决定着某些盐类的溶解能力。
水中二氧化碳含量愈高，溶解碳酸盐及硅酸盐的能力愈强，氧气的含量愈高，水溶解硫化物的能力愈强；（5）水的流动状况。
3、溶滤作用在时间上的阶段性（1）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。
（2）首先易溶物质如氯化物由岩层转入水中，成为地下水中主要化学成分，并被水流带走而逐渐贫化；然后相对易溶物质如硫酸盐溶入水中，成为地下水的主要成分；随着溶滤作用的长期持续，岩层中保留下来的几乎只是难溶的碳酸盐和硅酸盐，地下水的化学成分也就以碳酸盐和硅酸盐为主。
水文地质学基础 第六章 地下水的化学成分及其形成作用.
5. K＋ ◆ 地下水中K＋的含量只有Na＋含量的4％～10％。 ◆ 一般将K＋归并到Na＋中进行分析，不另区分。
如Na＋（+ K＋ ）
6. Ca2＋（低矿化水的主要阳离子） ◆ 含量一般不超过数百mg/L ◆来源： ☆碳酸盐类沉积物及含石膏沉积物的溶解； ☆岩浆岩及变质岩中含钙矿物的风化溶解。 7. Mg2＋ ◆ 化学性质及来源与Ca2 ＋相近，但地壳组成中 Mg2＋比较少，因此含量通常较Ca2 ＋少。
化合物的当量=化合物分子量 / 阴（阳）离子价 meg/L＝mg/L /离子的当量
☆德国度（H°） ：相当于1L水中含10mgCa2＋或 7.2mgMg2＋的量。
1 meg/L＝2.8 H°
4.地下水按硬度分类：
地下水类型 极软水 软 水 弱硬水 硬 水 极硬水
硬度（mg/L，以 CaCO3计）
＜75
◆专项分析：
只分析一个或少数几个成分，分析项目根据具体任务确 定。
如：在对地下水质作动态观测时，可只选有代表性的离 子作定期分析；
为判明含水层之间是否有联系时，只需要作个别离子的 分析；
在为寻找饮用水源进行地下水调查时，需进行水中有毒 成分如As（砷）、Pb（铅）、F（氟）等项目的分析。
三、水化学分析资料整理
如：CO2可促进碳酸盐类的溶解。
二、地下水中主要离子成分
◆主要离子共7种： Cl－、SO42－、HCO3－、Na＋、K＋、Ca2＋、Mg2＋
◆占主要地位离子随矿化度（含盐量）的变化： ☆低矿化水以HCO3－及Ca2＋ ，Mg2＋为主； ☆中等矿化水以SO42－及Na＋为主，阳离子也可以
是Ca2＋ ； ☆高矿化水以Cl－及Na＋为主。
水文地质学基础--7地下水的化学成分及其形成作用
碳酸盐类 < 硫酸盐类 < 氯化物 常见离子在水中的相对含量与溶解性总固体（TDS）有关
溶解性总固体（g/l）
低（<1)
中(1-10)
高(10-30)
主要离子成分
HCO3-
SO42-
Cl-
Ca2+ 、 Mg2+
Ca2+ 、 Na+
Na+
地下水中主要离子成分来源
Cl- （高矿化水中主要阴离子）：
沉积盐类溶解； 岩浆岩含氯矿物（如氯磷灰石、方钠石）的风化溶解； 海水； 火山喷发物的溶滤； 人为污染。 地下水中最稳定的离子，其含量随TDS升高而增加，常可用来说
7.1 概述
地下水的化学成分是地下水与周围环境长期相互作用的产 物，它是一种重要信息源，是“化石”，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 地下水的起源和形成。
地下水是地壳中元素迁移、分散与富集的载体，研究成矿 过程中地下水的化学作用，对于阐明成矿机制，完善与丰 富成矿理论有很大意义。
第7章 地下水的化学组分及其演变 （Chemical composition and chemical
actions of G.W.）
7.1 概述 7.2 地下水的化学组分（Chemical
composition of G.W.） 7.3 地下水化学成分的形成作用 （Chemical
水文地质学基础 地下水的化学成分及其形成作用
大气降水线：GMWL与LMWL
水文地质过程的识别
87Sr/86Sr识别混合关系
放射性同位素：时钟
在确定地下水年龄上，常采用放射性同位素方法，据放射性 同位素衰变原理，利用同位素衰变方程确定地下水年龄：
同位素浓度
t 1 ln C
地下水的温度
地壳表层的热源：太阳辐射+地球内部的热流。
地壳表层按热量平衡关系分带：
变温带：地温主要受太阳辐射影响的地表极薄的地带。下限15-30 m
常温带：地温基本等于当地平均年气温的地带。通常高出大气年均温度1- 2 oC 增温带：地温主要受地球内热影响的地带。地温梯度为n oC/100m，一般为3 oC/100m， 介于1.5 -4.0 oC/100m之间。西藏羊八井地温梯度为300 oC/100m（地热异常）
TDS很高，可达300 g/L SO42-减少或消失 出现H2S、CH4、铵、氮 pH值增高 钙Ca2+含量相对增加，Na+减少，rNa/rCl < 0.85 富集Br、I，Cl/Br变小
内生水
定义：源自地球深部层圈的地下水，亦即来自地球内部 在岩浆冷却等地质作用下形成的地下水 典型化学特征不明
矿物的溶解度 岩土的空隙特征 水的溶解能力
盐类溶解与温度的关系
浓缩作用
定义：蒸发浓缩作用是地下水通过蒸发排泄而引起水中成分的 浓缩，使水中盐分浓度增大、矿化度增高的现象 必备条件： 干旱半干旱的气候 低平地势控制下的水位埋深小的 地下水排泄区 松散岩土颗粒细小，毛细作用强 具有时间和空间的尺度
在封闭还原环境，有机质与微生物参与的生物化学过程形成
火山喷发 H2S还可来自硫化矿物分解
指示意义： 封闭还原环境 H2S一般出现在深层地下水中，油田水中含量很高，常以此作 为寻找石油的间接标志SO42- → H2S
水文地质学基础第6章地下水的化学成分及其形成作用
人为因素
农业活动
农业活动中使用的化肥和农药会随着雨水渗入地下，对地下水的 化学成分造成影响。
工业废水排放
工业废水中的各种化学物质会随着废水渗入地下，对地下水的化 学成分造成影响。
采矿活动
采矿活动会改变地下水的水动力条件，使得地下水与矿坑中的溶 液发生混合，从而改变地下水的化学成分。
06
地下水化学成分的利用与 保护
影响因素
长期变化的影响因素主要包括人类活动、气候变化和地质构造等。这些因素会 影响地下水的补给、径流和排泄条件，从而影响地下水化学成分的变化。
地下水化学成分的空间变化
空间变化
地下水化学成分的空间变化是指在不同地点或不同深度上，地下水化学成分的变 化情况。由于地下水的形成和运动受到地质构造、地层岩性和地形地貌等多种因 素的影响，因此地下水化学成分的空间变化通常比较复杂。
沉淀和溶解作用
沉淀和溶解作用
地下水中的化学成分在一定的条件下会形成沉淀或重新溶 解，从而改变地下水的化学成分。
沉淀和溶解作用的条件
沉淀和溶解作用的条件包括温度、压力、pH值、离子浓 度等。当这些条件发生变化时，地下水中的化学成分也会 发生变化。
沉淀和溶解作用的产物
沉淀和溶解作用可以形成各种矿物和岩石，如硬水垢、矿 泉水的形成等。同时，沉淀和溶解作用也会影响地下水的 硬度和酸碱度。
维持生态平衡
地下水参与水循环，对地表植被、土壤保持和水 生生态系统等具有重要影响，维持生态平衡。
3
地质灾害预警
地下水的异常变化可以预警地质灾害，如地震、 滑坡等。
地下水化学成分研究的意义
评估水质
01
了解地下水的化学成分有助于评估其水质，判断是否适合人类
饮用、农业灌溉等。
水文地质学基础 第6章 地下水的化学成分及其形成作用
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6.2.1
溶滤作用——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， HCO3—Ca水 或 HCO3—Ca Mg 这是由溶滤作用的阶段性决定！在由多种盐类组成的岩石中： 早期，Cl盐最易溶于水中→随水带走，岩土贫Cl盐 继续作用，较易溶SO42-盐类被溶入中→随水带走，贫SO42-盐类 持续,（岩土中）只剩较难溶的碳酸盐类。 因此，分析溶滤作用及其地下水的成分特征： ① 要从地质历史发展的眼光（角度）来理解—它是地质历史长期作用 的结果 ② 地下水是不断运动的—溶解的组分会被带去（岩土组分变化） 前期溶滤作用—溶滤什么组分，水中获得相应组分 后期溶滤作用—长期强烈溶滤作用的结果是难溶成分的低矿化水
盐、钾盐）的溶解、变质岩风化溶解，海水影响，人为
污染 中等矿化度的常见离子： SO42-：沉积盐类溶解、金属硫化物的氧化、火山喷发 H2S气体氧化、人类活动—燃烧煤产生大量SO2，SO2 氧化
后形成之，大气中SO42-过高时，降“酸雨”
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1.0 L水
0.5L水
蒸发（2） 0.25L 1400mg/L
蒸发（3） 0.125L 2800mg/L
0.25L 水
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6.2.2
浓缩作用
浓缩作用（过程）: 水份失去过程→盐分相对浓集，化学成分的变化 （实际上与上述理想模式是不同的） 地下水在蒸发过程中，水分失去还有补充；盐分积累也有
地下水中CO2增加，水对碳酸盐岩的溶解、结晶岩风 化溶解能力愈强！
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6.1.1
水文地质学基础：地下水化学成分的形成作用
二、 浓缩作用
• 定义：当水分蒸发时，盐分仍保留在余下的地下水中，则 其矿化度相对增大，这种作用称为浓缩作用。
• 结果：高矿化度、以易溶离子为主的地下水（Cl-—Na+为主） • 发生条件：
– 干旱或半干旱的气候，地势低平且地下水位埋藏较浅的排泄区，有利 于毛细作用的颗粒细小的松散土层。
– 浓缩作用十分强烈的地区，可以形成矿化度大于300 g／L的地下咸水。
①阳离子被岩土吸附的能力不同：
➢ 阳离子被吸附能力强弱：
H+>Fe3+>Al3+>Ca2+>Mg2+>K+>Na+ （H+是个例外） ➢ 如：
CaSO4 (MgSO4 ) 2Na Na2SO4 Ca2 (Mg 2 )
水
土
水
土
四 、阳离子交替吸附作用-影响因素
② 与地下水中离子浓度有关，某种离子的相对浓度增大， 则该种离子的交替吸附能也随之增大。
– 不产生明显的化学反应
– 高矿化的氯化钠型海水混入低矿化的重碳酸钙镁型地下水，不 产定义：岩土颗粒的表面常带有负电荷， 能够吸附某些阳离子，而将其原来吸 附的阳离子转为地下水中的组分，这 就是为阳离子交替吸附作用。
结果：某种阳离子减少，另一种阳离 子增多
四 、阳离子交替吸附作用-影响因素
地下水化学成分的形成作用
1 溶滤作用 2 浓缩作用
目录
3 脱碳酸作用 4 脱硫酸作用
CONTENTS
5 阳离子交替吸附作用
6 混合作用 7 人类活动的影响
地下水化学成分的形成作用
定义：使地下水化学成分发生变化的各种 作用，称为地下水化学成分的形成作用。
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④如何判断非大气来源的氮
用氩、氪、氙与氮的比值确定
大气中它们的比值恒定（Ar+Kr+Xe）/N2=0.0118
＝0.0118 大气来源
＜0.0118 Ｎ２多，有非大气来源 ＞0.0118 一般Ａｒ（氩）多
如果地下水中上述比值正好等于0.0118，说明氮 无其它来源，仅大气起源。
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目前研成是地质历史时期的 产物，所以要从地质历史的角度去研究；
2.水中的化学组分的存在是与地下水的起源 紧密联系在一起的，不同起源，组分不同；
3.组分在地下水中达到饱和的状态，要注意 地下水的运动过程，运动使地下水不断更 新，达到平衡而未达到饱和；
腐植质 → 暗黄色 → 鱼腥味
H2CO3 → 甜味 有机质 → 甜味（不适于饮用）
NaCl → 咸味
Na2SO4 → 涩味
MgCl2或MgSO4 → 苦味
H2S+碳酸气 → 酸味
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5.2.2 地下水的其它物理性质
1.比重 2.颜色 3.透明度 4.放射性
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§ 5.3 地下水的化学成分
4.要注意后期的变化－－吸附、混合，使其 再一次发生变化。
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§5.2 地下水的物理、化学性 质(physical characteristic)
地下水的物理性质包括： 水 温 temperature、 颜 色 color、 透 明 度 transparence 、 味 道 taste、 气 味 odor、比重、放射性、导电性electric conductivity等。
§ 5.3.1 主要气体成分
地下水中气体含量尽管很少，但对其研究：
①可以帮助弄清地下水赋存的环境；
②对其它组分的存在影响很大。
地下水中的气体成分：
空气来源 N2 O2 CO2 Ne(氖) Ar（氩）
生物来源 CH4 CO2 N2 H2S H2 O2
化学来源
CO2 H2S H2 CH4 CO N2 HCl
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5.2.2 地下水的其它物理性质
一般地下水都是无色、无味、无气味、透明、低 盐量的液体。当地下水中含有某些化学成分时，其物 理性质就发生了变化。如：
含H2S → 绿色 → 臭鸡蛋味 Fe2+ → 淡红褐色 → 铁腥味
Fe3+ → 淡蓝绿色 → 淡墨水味
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一个大气压下，温度与氧含量的关系：
温度℃
氧含量
mg/l
cm3/l
0
14.56
10.19
10
11.25
7.87
15
10.06
7.04
20
9.09
6.36
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③反映的环境：地下水中氧的多少，表明了地下水
所处的氧化还原的环境。O2较N2活泼的多，当处在封 闭环境中或水源被有机物污染时，由于氧化作用，溶 液氧很快被消耗，当得不到补充时，氧缺少；厌氧细 菌繁殖并活跃起来，有机物质发生腐败作用，使水源 产生臭气。
1.帮助阐明地下水的起源、形成和分布； 2.完善成矿理论； 3.找矿标志； 4.宝贵的液体矿产和矿水； 5.工农业及饮用水等都有水质要求。
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三、水化学成分形成作用研究 方法的指导思想
以前学者们的研究偏重于分类，如 阿廖金分类，舒卡列夫分类，及各种离 子含量的比例。现在的研究趋势主要是 从水岩体系来研究。水与岩石是相互作 用的体系，我们把这归结为水文地球化 学体系，在溶液与介质的化学场中，以 热力学方法来研究溶液的平衡。
如果小于0.0118，因Ar、Kr、Xe均为惰性气体， 不会与其它物质化合而减少，所以小于0.0118时，说 明N2含量比大气来源的多，多余的N2则为非大气来源。
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§ 5.1 概述
在地下水中，就其组分而言，有：有 机物、无机物、气体、微生物和元素的同位 素组分。
就元素在水中的存在形式又有：单一 离子、分子、复阴离子、化合物和络合物。
就水溶液的类型，可以分为：真溶液、 胶体溶液和悬浮液。
所以说：地下水是一种复杂的溶液。
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二、研究地下水化学成分的意义
（2）矿化度大的水、氧含量少。对于矿化度大的水，其它离 子成分含量很高，氧作为一种氧化剂，易于氧化其它成分而 消耗，海水的溶液氧仅为淡水的80％。
（3）地下水埋藏越浅，越容易获得大气中的氧，氧含量较大， 否则则相反。
（4）温度越高，溶解氧越少。
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厌氧细菌 anaerobic bacteria
HF SO2 Cl2
放射性和核反应来源的气体 He(氦) Rn（氡）
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1.氧和氮
①来源：
主要来自大气，随大气降水和地表水的入渗一起进入地下；也 有生物来源；对氮还有化学来源。
②影响氧含量的因素：
(1)淡水含量高。氧在水中的溶液度较大，在15℃、 101324 .62Pa（一个大气压 ）下，每升蒸馏水可溶解氧 10.06mg（7.04cm3/l）。
§5.1 概 述 一、地下水是一种良好的溶剂， 是十分复杂的溶液solution
水是良好的溶剂，这是水最突出的特性。
地下水运移于岩石空隙中，由于水的这种特 征，必然要和岩石发生相互作用，使岩石溶解， 就此而言，水是一种良好的溶剂。
盐分进入地下水中，因而自然界的水是非单 纯的纯净水，而成为一种溶液。由于在地下径流 的过程中，环境不断地发生变化，物理化学条件 不断改变，所以这种溶液也在不断的发生变化， 最终使地下水的化学成分变得非常复杂。
现在在2000～3000m深的卤水中，发现有高浓度 的氧（200 cm3/l），可能是由于放射性元素的放射 作用产生的。
N2 主 要 起 源 于 大 气 ， 如 水 中 N2 单 独 存 在 （ 没 有 O否2）则，氧说将明得O到2已补耗充尽。，体系处于较为封闭的还原环境，
在封闭环境中，去硝化作用可将NO３-、NO２－分 解并析出自由N2，其反应式为：
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5.2.1 地下水的温度
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。根 据受热源影响的情况，地壳表层可分为变温 带、常温带及增温带。
地下水的温度受其赋存与循环处所的地 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。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。