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本章内容6．1概述6．2地下水的化学特征6．3地下水的温度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1、地下水不是纯的H2O，而是天然溶液，含有各种组分。2、水是良好的溶剂，在空隙中运移时，可溶解岩石中的成分。在自然界水循环过程中，地下水与大气圈、水圈与生物圈同时发生着水量和化学成分的交换。3、物理性质：温度、颜色、嗅、味、密度、导电性、放射性。4、化学性质：气体成分、离子成分、胶体物质、有机质等。5、水是岩石中元素迁移、分散与富集的载体。研究许多地质作用时都不能不涉及地下水的化学作用。6、不同的用水目的在利用地下水时，对水的质量有一定要求（如：饮用水、锅炉用水、地下水对混凝土的侵蚀性等）研究地下水的化学成分与作用必须与地下水的流动条件结合6．1概述1.1.1地下水的物理性质一、温度来源：地温、气温。增温级：每上升1oC所需的深度，（增温率：每深100m升高的温度）各地增温级不同，华北：33—43m；北方山区：50m；古老结晶岩区：1000m；近火山区：1m；一般地区：33m。由于变化不大，故地下水“冬暖夏凉”二、颜色天然地下水无色，当含有不同离子就变成不同颜色：Fe3+呈红色（钻孔腐蚀后有此色，山西清徐平泉村泉水）；有机质过多呈黄色；含H2S呈翠绿色；Fe2+呈浅蓝绿色；Ca2+、Mg2+多时呈浅蓝色等。由此可以粗略的判断地下水的成分，对地下水分析带来益处和针对性。三、透明度分四级：透明、半透明、微透明、不透明。不同级别说明所含杂质不同或因矿物不同，有可能污染所致。四、味纯水无味，水中的气味来自其中的盐分和气体，如：含HCO3-时爽口，称甜水;多时呈咸味，NaSO3、MgSO4呈苦味，可引起腹痛，腹泻，大量有机物时也存在“泔水”味，不易饮用。五、嗅天然水无嗅，含有特殊成分时有嗅味，如、H2S、臭鸡蛋味。六、导电性纯水不导电，导电性取决于电介质的多少和性质，主要用于电法勘探创造条件，导电性好则电阻率就低。1.1.1地下水的物理性质6.2地下水的化学成分地下水中含有各种气体，离子、胶体物质及微生物等，在108种元素中，地下水有90多种。6.2.1地下水中主要气体成分常见的有O2、N2、CO2、CH4、H2S、Rn(氡)、H3(氚)等，尤以前三种为主。常见气体成分与地下水所处环境和地下水来源有关。研究意义：一方面，气体成分能够说明地下水所处的地球化学环境；另一方面，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。1、氧（O2）、氮（N2）来源：在大气成分中含量很高，随降水一起入渗进入地下含水层中。反过来，如果地下水中富含O2与N2——也说明地下水是大气起源。由于O2活跃，在地下水运动中易发生氧化作用而消耗，因此，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；封闭环境下，氧被耗尽只剩下，则N2为大气起源封闭环境。在大气中，A、Kr、Xe、N2的比例恒定为0.0118。等于此值说明是大气起源，0.0118,说明含有生物起源和变质起源2、硫化氢H2S来源：在地下水中分部较少，只是在还原环境中存在。地下水中出现H2S，恰好与O2的意义相反。火山喷发的溢出，矿泉水每升中可达数百毫升；同时在水中离解：H2S=H++HS-,H2S与HS-比例决定于水中PH值，在酸性水中H2S占优势，而碱性环境HS-为主。指示意义：富含H2S和CH4的地下水，指示封闭的还原环境。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。硫氢化合物是极不稳定的，天然条件只在还原环境中存在，一旦有地下水出露到地表，就立即发生氧化变质，故呈酸性水。H2S+O2+4HCO3-H2SO4+2H2O+4CO2存在成分PH45678910所占百分比H2SHS-99.80.298.81.278.321.743.956.17.392.70.899.20.0999.013、甲烷CH4来源：CH4的化学性质不活泼，火山及变质成因的气体中CH4含量很多，在封闭的盆地中地下水常有CH4，是有机物分解而成的，常与油田伴生。甲烷（CH4）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CH4的地下水，指示封闭的还原环境。浅部生物作用也可形成CH4与深部区别在于伴有重氢类气体。4、二氧化碳（CO2）大气降水中的含量较低，地下水中CO2主要来源：①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②碳酸盐岩地层的脱碳酸作用③深部高温下，变质作用生成CO2④人类活动，在使用化石燃料（煤、石油、天然气）时，大气中的CO2增加作用：地下水中CO2增加，水对碳酸盐岩的溶解、结晶岩风化溶解的能力愈强！类别：游离CO2：地下水所有CO2的总称。平衡CO2：与水中HCO2-平衡的那一部分。侵蚀性CO2：当游离CO2多于平衡CO2时的那部分，可与CaCO3作用，使其溶于水CaCO3+H2O+CO2=2HCO3-+Ca2+工业与生活应用化石燃料（煤、石油、天然气），使大气中人为产生的CO2明显增加。据统计，19世纪中叶，大气中CO2浓度为290ppm，而到1980年，由于人为影响，CO2浓度上升至338ppm。目前全世界每年排放的CO2总量达53×108t之多〔何妙福等，1991〕，由此引起了温室效应，使气温上升地下水中含CO2愈多，其溶解碳酸盐岩与对结晶岩进行风化作用的能力便愈强。6.2.2地下水中主要离子成分插入内容：1、硬度以Ca2+、Mg2+、Fe2+、Mn2+、Fe3+、Al3+等，主要以Ca2+、Mg2+，主要以Ca2+、Mg2+为主----总硬度当蒸发时Ca2+与HCO3-反应以碳酸盐形式沉淀下来的钙、镁离子叫暂时硬度；若Ca2+HCO3-则部分Ca2+与SO42+或CL反应不能沉淀下来的那部分钙、镁离子，又称永久硬度；若Ca2+HCO3-则多余的HCO3-为碱度。硬度范围（CaCO3的mg/L数）分类0～60软水61～120微硬水121～180硬水180极硬水2、矿化度水中化学组分含量的总和称为总矿化度，一般用M表示。溶解于水中的固相物质的总量称为总固溶物，可用TDS来表示，它等于干固残渣的重量。这两者的含义很接近，它俩之间的差别是前者比后者大，其差值为HCO3-含量的一半。因为在水蒸干过程中，重碳酸根含量的一半将转化为CO2气体而逸出。天然水按矿化度或总固溶物的分类见下表。矿化度与溶解度：溶解度：氯盐＞硫酸盐＞碳酸盐。随着矿化度增大，钙、镁的碳酸盐沉淀析出钙的硫酸盐。因此，高矿化水中便以易溶的氯和钠占优势了。1、来源：沉积岩中所含盐岩或其他氧化物的溶解；火成岩中氯化物的分解；火山喷发物的熔滤；人为污染、生活垃圾、工业污染物；性质：具有较强的迁移能力；不易沉淀；不被胶体吸收，在地壳中分布0.017%，在矿化水中占优势，钻探证明在地壳深部大多为高矿化、氯化物水，约占岩石圈上部地下水的98%，固有丰富的。分布：主要分布在高矿化水中，如罗布泊的盐湖、青海湖、海水等。地下水中分布广泛，一般数十克，饮用水标准是250.ClClClCllmg2、来源：含石膏（）或其他硫酸的溶解；天然硫或硫化物的氧化分解；（煤层中含有）（黄铁矿）（铁矾）有机物的分解；大气污染；特别是大量排入空中城市中的“酸雨”补给地下水性质：在地下水中的迁移能力反次于、能形成溶解度很小的，因此，地下水中的是受的限制，是中等矿化水的主要离子。OHCaSO2422FeS244222242272SOHFeSOOHOFeS242424232SOHOHOS2SO32222SOOSOCl24SO24SO2Ca4CaSO24SO3、来源：来自含碳酸盐的沉积岩与变质岩（大理岩）；来自岩浆岩地区的硅酸盐风化溶解；（钠长石）（高岭石）（辉长石）3HCO232232CaHCOCOOHCaCO232232CaHCOCOOHMgCO292243221662242232SiOOSiAlHNaHCOOHCOOSiAlNa9242322232225242OSiHCaHCOOHCOSiOOAlCaO性质：、是难溶水的，当水中存在侵蚀性时，才能分解。“泉华”、“钙华”既是如此，的多少还与水中的酸碱度有关（即PH值）。3CaCO3MgCO3HCO2CO4、阳离子（、、、）来源：沉积岩及其盐类的溶解；如钠、正长石、斜长石溶解。火成岩或变质岩中矿物成分的风化溶解；从吸附、交替其他离子中进入水体。性质：溶解性：由于、都能形成盐沉淀，故水中很难超过1。与的性质接近，都比较活泼，而易被植物根系吸收，因此在水质分析时大都不分，+为一个参数。NaK2Ca2MgNaK2Ca2Mg2Mg2Ca24SOlgNaKKNaK6.2.3地下水的其他成分1、胶体成分主要指未离解胶团，成分复杂。如、等，有的胶体性质不稳定，易形成次生矿物而沉淀。如：易形成水矾土、叶蜡石沉淀（在泥水中加入白矾、，过一会就会成清水，因胶体吸附泥粒）。胶体矿物主要来源与矿床的风化分解有关，有机胶体在热带、沼泽地带地下水中含量较高，胶体直径大，在水中迁移受到影响。2、有机成分有机成分复杂，主要是生物遗体分解，在地下水中含量一般不变，富集于土壤和沼泽中或湿地中，形成特殊的臭味。大部分有机质为胶体状态，部分成悬浮液。3)(OHAl432SOAlK3、细菌成分分为病源菌和非病源菌两种。最常见的是痢疾。伤寒等病菌，不易分离鉴定。（如四川某水井，出水量逐渐减少，后查明是因不长期用，细菌把孔隙堵塞，后用氯气消毒。又如山西铝厂，取黄河岸边地下水，长期不消毒，后自来水厂不让，消毒后家里水管反而出红虫等）。除此外还有脱氮硫井菌等，一般适合PH=7—7.4。4、其他离子次要离子：微量元素:Br、I、F、B、Sr等，是矿泉水的主要成分。H2Fe3Fe2Mn4NHOH2NO3NO23CO23SiO33PO6．3地下水的温度热能来源：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。变温带是受太阳辐射影响的地表极薄的带，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1—2m深。变温带的下限深度一般为15—30m。此深度上地温年变化小于0.1℃。常温带是变温带以下一个厚度极小的。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。增温带在常温带以下，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。地温梯度是指每增加单位深度时地温的增值，一般以℃／100m为单位。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，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。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：地温梯度的平均值约为3℃／100m。通常变化于1.5—4℃／l00m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300℃／100m。6.4地下水化学成分形成作用6.4.1溶滤作用6.4.1溶滤作用——影响因素6.4.1溶滤作用——结果6.4.2浓缩作用6.4.3脱碳酸作用水中CO2的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小，一部分CO2便成为游离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