地下水的化学成分

水文地质学第七讲地下水的化学成分及其形成作用2020/1/202OUTLINE•地下水化学成分概述•地下水的化学特征–主要气体成分–主要离子成分–地下水化学成分表达式•地下水的温度2020/1/203概述•地下水不是化学纯的H2O，而是复杂的溶液。–赋存并运移于岩石空隙中的地下水，不断地与岩土发生化学反应，溶解岩石中的矿物质，与所接触的岩石圈、水圈、生物圈进行化学成分的交换；–人类活动也对地下水的化学成分造成影响，特定条件下，人类活动的影响非常显著。–大多数情况下，地下水化学成分的改变都伴随着水量的交换而发生。•因此，地下水的化学成分是地下水与环境长期相互作用的产物。化学成分是地下水的重要特征之一。2020/1/204概述•地下水是良好的溶剂。–地下水溶解岩石的组成成分，搬运这些组分，并在某些情况下将其中的某些组分析出。–水是地球中元素迁移、分散与聚集的载体。–水也是许多地质过程的参与者，如岩溶、沉积、成矿等地质过程中都有地下水的化学作用。2020/1/205概述•地下水的利用和防治都需要关注地下水的水质，主要就是地下水的化学成分。–如饮用水对水质有严格的要求，需要进行水质评价–富含大量盐类或富集稀有元素的水本身就是液体矿床。–具有特殊物理性质和化学成分的地下水具有医疗意义。–控制污染物在地下水中的扩散，需要查明有关污染物的迁移、分散规律，确定污染源和扩散途径。2020/1/206概述•水文地球化学（Hydro-geo-chemistry），是水文地质学的一个分支，是专门研究地下水中化学成分的迁移、聚集与分散的规律，并加以应用的科学。•地下水动力学（Hydro-dynamics），是水文地质学的另一个分支，专门研究地下水运动规律和水量的学科。•地下水中元素的迁移不能脱离地下水的运动，不能孤立、静止地研究地下水的化学成分及其形成规律。正确的观点是：–水文地球化学的研究必须与地下水运动的研究相结合；–必须从水与环境长期相互作用的角度，揭示地下水化学演化的内在机制与规律。2020/1/207地下水的化学特征•地下水中的气体成分：有O2、N2、CO2、CH4及H2S等。气体成分在水中含量不高，几个~几十个毫克；但有一定的作用：可指示地下水的化学环境，侵蚀CO2可增强地下水的溶解能力。–O2和N2：地下水中的氧气和氮气主要来源于大气降水的入渗。水中溶解的氧气越多，则越有利于氧化作用的进行。氧气远比氮气活泼，在封闭环境中，氧将会耗尽只留下氮气，因此氮气的单独存在说明处于还原环境，地下水起源于大气。另外，大气中的惰性气体与氮气的比例恒定，等于0.0118，如果地下水中的比例等于此值，则说明氮气来源于大气。–CH4及H2S：地下水中出现CH4及H2S，说明地下水处于还原环境。这两种气体的生成，均在与大气隔绝的环境中，有机质存在，在微生物参与的生物化学反应有关。2020/1/208地下水的化学特征•地下水中的气体成分–CO2：除了大气中CO2随降水入渗外，地下水中的CO2主要来源于土壤，土壤中有机质的发酵作用和植物的呼吸作用使土壤中不断产生二氧化碳，并溶入经过土壤的地下水中。–含碳酸类岩石在高温下的变质作用，而会产生CO2。–地下水中CO2的含量增多，其溶解碳酸盐岩的能力和对结晶岩进行风化的能力都会增强。有侵蚀CO2和游离CO2之说。•人类活动对大气的影响之一：温室效应–人为产生的CO2明显增加。19世纪中叶，大气中CO2浓度为290ppm，1980年，大气中CO2浓度升高到338ppm。1991年人类每年排放到大气中CO2为53*108t。温室效应是指透射阳光的密闭空间由于与外界缺乏热交换而形成的保温效应，就是太阳短波辐射可以透过大气射入地面，而地面增暖后放出的长短辐射却被大气中的二氧化碳等物质所吸收，从而产生大气变暖的效应。大气中的二氧化碳就像一层厚厚的玻璃，使地球变成了一个大暖房。据估计，如果没有大气，地表平均温度就会下降到-23℃，而实际地表平均温度为15℃，这就是说温室效应使地表温度提高38℃。2020/1/209温室效应2020/1/2010地下水的化学特征•地下水的主要离子成分：分布广且含量高的离子包括氯离子、硫酸根离子、重碳酸根离子、钠离子、钾离子、钙离子和镁离子，共七种离子.–构成这些离子的元素有两类：地壳中含量较高，且较易溶于水的元素；地壳中含量不算高，但是极易溶于水的元素。–随着地下水总矿化度的变化，占主要地位的离子成分也随之变化：低矿化度水，常以重碳酸根离子、钙离子和镁离子为主；高矿化度水，则以氯离子和钠离子为主；中等矿化度水中，阴离子常以硫酸根离子为主，阳离子以钠离子或钙离子为主。定义：地下水中所含的各种离子、分子与化合物的总量，称为总矿化度（总溶解固体）。2020/1/2011地下水的化学特征•盐类的溶解度与地下水矿化度、主要离子含量之间的关系。表6-1(0°C)。盐类溶解度盐类溶解度NaCl350MgSO4270KCl290CaSO41.9MgCl558.1(18°C)Na2CO3193.9(18°C)CaCl731.9(18°C)MgCO30.1Na2SO450氯盐溶解度最大，硫酸盐次之，碳酸盐最小。2020/1/2012地下水的化学特征：主要离子成分•氯离子（Cl-）：高矿化度水的主要阴离子–含量：低矿化水中，仅数毫克至数十毫克/升；高矿化水中，数克/升至100克/升以上。–来源：1）沉积岩中岩盐或其他氯化物的溶解；2）岩浆岩中含氯矿物的风化溶解；3）来自海水或海风；4）火山喷发物的溶滤；5）人为污染，如工业、生活污水中含有大量的Cl-。–特点:是地下水中最稳定的离子（不被吸收、吸附、不析出）2020/1/2013地下水的化学特征：主要离子成分•硫酸根离子（SO42-）：中等矿化度水的主要阴离子–含量：低矿化水中，仅数毫克至数十毫克/升；高矿化水中，数克/升至数十克/升。–来源：1）沉积岩中含石膏或其他硫酸盐的溶解；2）硫化物的氧化。–特点:受硫酸钙溶解度的控制，不够稳定，最高含量也比氯离子低得多。酸雨：化石燃料的燃烧，给大气提供了大量的SO2和其他氮氧化合物，氧化并吸收水分后构成富含硫酸和硝酸的降水，即“酸雨”。这也成为地下水中硫酸根离子的来源之一。2020/1/2014地下水的化学特征：主要离子成分•重碳酸根离子（HCO3-）：低矿化度水的主要阴离子–含量：一般不超过几百毫克/升。–来源：1）沉积岩和变质岩中碳酸盐的溶解；2）岩浆岩地区，则来自铝硅酸盐的风化溶解。–需要说明的，CaCO3和MgCO3在水中溶解度很低，当水中有CO2时，才有一定数量碳酸盐溶于水，水中的HCO3-的含量与CO2含量存在一个平衡关系。2020/1/2015地下水的化学特征：主要离子成分•钠离子（Na+）：高矿化度水的主要阳离子–含量：低矿化度水中含量少，但在高矿化度水中可达到数十克/升。–来源：1）沉积岩中岩盐和其他钠盐的溶解；2）岩浆岩与变质岩地区，则来自含钠矿物的风化溶解。–酸性岩浆岩中含有大量的含钠矿物，在CO2和H2O的参与下，可以形成以Na+和HCO3-为主的地下水。2020/1/2016地下水的化学特征：主要离子成分•钾离子（K+）：–含量：低矿化度水中含量甚微，在高矿化度水中含量较多。–来源：1）含钾盐沉积物的溶解；2）岩浆岩与变质岩地区，则来自含钾矿物的风化溶解。与钠离子来源很相似。–地壳中钾元素的含量与钠相似，且钾盐溶解度又相当大，但是地下水中，K+含量比Na+含量少得多。Why?因为K+大量地参与形成不溶于水的次生矿物（水云母、蒙脱石等），并易于被植物吸收。2020/1/2017地下水的化学特征：主要离子成分•钙离子（Ca2+）：是低矿化度地下水的主要阳离子–含量：一般不超过几百毫克/升。但在高矿化度水中，由于主要阴离子是Cl-，而且CaCl2的溶解度比较大，因此Ca2+的绝对含量会增加，但远小于Na+的含量。–来源：1）碳酸盐沉积物和含石膏沉积物的溶解；2）岩浆岩与变质岩地区，则来自含钙矿物的风化溶解。同样，与钠离子来源很相似。2020/1/2018地下水的化学特征：主要离子成分•镁离子（Mg2+）：通常不成为地下水的主要阳离子–含量：主要存在于低矿化度水中，但又比Ca2+含量少，原因在于地壳中镁元素比钙含量少。–来源：1）含镁碳酸盐沉积物（如白云岩与泥灰岩）的溶解；2）岩浆岩与变质岩地区，则来自含镁矿物的风化溶解。与钙离子来源很相似。2020/1/2019地下水的化学特征：其他成分•除了上述的主要气体成分和主要离子成分外，地下水中还含有以下次要成分：–次要离子，如NH4+、Fe2+、Fe3+、NO2-、NO3-等。–微量元素的组分，如Br、I、F等–未溶解的化合物胶体–有机质–各种微生物，如氧化环境中的硫细菌、铁细菌，以及还原环境中的脱硫酸菌等2020/1/2020总矿化度及化学成分表达式•地下水中所含的各种离子、分子与化合物的总量，称为总矿化度（总溶解固体）。–试验方法：以105—110°C时将水蒸干所得到的干涸残余物总量（质量，以g为单位）来表征地下水的总矿化度。–计算方法：在水化学分析结果的基础上，将分析所得的各种阴阳离子含量相加，求得理论上的干涸残余物。需要说明的是，在采用蒸干法测定总矿化度时，水中一半的HCO3-分解成水和二氧化碳逸失，因此相加时HCO3-只取重量的一半。2020/1/2021库尔洛夫表达式•将阴阳离子分别标示在横线上下，按毫克当量百分数自大到小的顺序排列，小于10%的离子不予显示。•横线前依次是气体成分、特殊成分及矿化度M，均以g/L为单位。•横线后则是字母t，表示地下水的温度。见下例。528.276.7143.148.842.33031.0021.02307.02tCaNaSOClMCOSHSiOH2020/1/2022地下水的温度•地壳表层有两个热源：太阳和地球内部的热流。•根据温度变化特征，地壳可分为变温带、常温带和增温带。•变温带处于地壳表层，很薄，不超过30m，受太阳辐射影响，具有昼夜变化和季节变化。但变化幅度小于气温。•变温带下是一个厚度很小的常温带，地温一般比当地年平均气温高1-2C。•常温带下，地壳温度受地球内部热流影响，地温随深度增加而有规律地升高，这便是增温带。地温梯度的概念。•地下水的温度受所处的地温控制。2020/1/2023复习思考题•如何认识地下水是复杂的溶液？•地下水含有哪些主要气体成分？•地下水的主要离子成分有哪些？来源是什么？•总矿化度；•地下水化学成分的库尔诺夫表达式。2020/1/2024Anyquestions?