5 地下水的化学成分

5地下水的物理性质和化学成分5.1地下水的物理性质5.2地下水的化学成分和化学性质5.3地下水按化学成分的分类5地下水的物理性质和化学成分地下水不是纯的H2O，而是天然溶液，含有各种组分具有一定的物理性质和化学组分。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。意义：水质评价，水文地球化学找矿；地震预报等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5.1地下水的物理性质温度颜色味（味道）嗅（气味）透明度相对密度、导电性及放射性温度地温——影响地温的热源：太阳辐射和地热具有周期性的昼夜变化和年变化地温可分三个带：变温带：位于地壳的最表层，其温度变化受太阳辐射热的控制。其温度的变化幅度随深度的增加而递减。此带由于受太阳辐射的控制，地下水的温度具有周期性的日变化和季节变化的特点。常温带：指地温的年变化幅度＜1℃的地带。一般年常温带的温度略高于当地年平均气温，在相当于海平面的地区约高0.8℃，在海拔200～500m的地区约高1～2℃。年常温带实质上是太阳辐射热与地球内热共同影响的热平均带。此带地下水的温度表现为周期性年变化的特点。增温带：在年常温带以下，温度主要受地球内热的影响，随深度的增加而有规律的升高。地热增温级：温度每升高1℃所需增加的深度33m/℃TH——H深度处地下水的温度，℃TB——年常温带温度，℃H——地下水循环深度，mh——年常温带深度，mG——地热增温级，m/℃GhHTTBH地下水的温度对地下水的化学成分有很大影响。地下水按温度的分类水温/℃地下水类型＜0过冷水0～20冷水20～42温水42～100热水80～100高温热水＞100过热水颜色水中存在物质与水的颜色关系颜色一般用标准颜色的溶液或有色玻璃片来对比水中存在的物质硬水低价铁高价铁硫化氢水的颜色浅蓝灰蓝（浅绿灰色）黄褐暗绿水中存在的物质硫细菌锰的化合物腐植酸盐水的颜色红色暗红暗黄或灰黑味（味道）取决于水中溶解的盐类和有机质水中物质与味的关系水中物质二氧化碳重碳酸钙氯化钠硫酸钠味清凉味美咸涩水中物质氯化镁（硫酸镁）氧化亚铁氧化铁有机质（腐殖质）味苦墨水味铁锈味甜味嗅（气味）取决于水中所含的气体成分和有机质的含量气味强度等级分类0无没有任何气味I极微弱有经验分析者能察觉II弱注意辨别时，一般人能察觉III显著易察觉，不处理不能饮用IV强气味引人注意，不能饮用V极强气味强烈扑鼻，不能饮用透明度地下水通常透明、无色，当水中含有某种离子、胶体、有机质或悬浮物质时，透明度将降低。地下水透明度的野外鉴定特征分级野外鉴定特征透明无悬浮物及胶体，60cm水深可见3mm粗黑线微混浊有少量悬浮物，大于30cm水深可见3mm粗黑线混浊有较多悬浮物，半透明状，小于30m水深可见3mm粗黑线极混浊有大量悬浮物或胶体，似乳状，水很浅也不能见3mm粗黑线地下水的相对密度、导电性及放射性相对密度：取决于水中所含盐分的多少。当地下水中溶解的盐分较少时，比重近于1。当水中溶解了较多的盐分时，比重可达1.2～1.3。导电性：地下水的导电性取决于其中所含电解质的数量与性质（即各种离子的含量与离子价），离子含量越多，离子价越高，则水的导电性就越强。放射性：取决于其中放射性物质的含量，地下水不同程度上或多或少地都具有放射性，但其含量一般极微，循环于放射性矿床的地下水其放射性相应增强。5.2地下水的化学成分和化学性质地下水的化学成分是很复杂的。不同成因的地下水，它的原始成分不相同，另外同一种成因的地下水，也由于后期循环过程中与周围介质相互作用，导致它的化学成分发生很多变化。化学成分：气体、离子、微量元素、其他（胶体、有机质、细菌）5.2.1气体成分1、氧、氮起源：大气圈随降水入渗进入含水层中，如富含O2与N2——说明地下水是大气起源的，氮还有生物起源与变质起源环境：在封闭环境下，氧被耗尽只剩下N2，指示水是大气起源且处于封闭环境2、硫化氢（H2S）、甲烷（CH4）这两种气体都是在较封闭环境中，在有机质与微生物参与的生物化学过程中形成。还原环境下：SO2-4→H2S，成煤过程，煤田水成油过程，油田水5.2.1气体成分3、二氧化碳（CO2）大气降水中的CO2含量较低，地下水中CO2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：在深部高温下，也可变质生成CO2；与酸性矿水反应生成CO2人类活动：在化石燃料（煤、石油、天然气），导致大气中的CO2增加，（增长20%）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！地下水中气体成分的意义：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—可以增加水对盐类的溶解能力促进水→岩的化学反应，相互作用5.2.1气体成分——研究意义5.2.2主要离子成分地下水中主要离子有：阴离子：Cl-、SO2-4、HCO-3阳离子：Na+、K+、Ca2+、Mg2+阴离子分布来源很广变化大岩盐或其它含氯沉积岩溶解；岩浆岩中含氯矿物，如氯磷灰石、方纳石等的风化溶虑；海水入渗或风将海水细沫带到陆地后溶解深入；深部水或火山喷发物；人工污染、工业和生活污水的渗入污染；动植物的排泄物和动物尸体腐烂。含盐量高咸水较广变化大含石膏或其它硫酸盐岩石的溶解天然硫及含硫物（黄铁矿）氧化大量煤炭燃烧产生，，酸雨入渗有机物分解、污染广泛含量不高碳酸盐类（石灰岩、白云岩）溶解含盐量低淡水Cl24SO3HCO阳离子分布来源很广变化大沉积岩中岩盐、含钠盐溶解岩浆岩、变质岩中含纳矿物的溶解和氧化、风化水解主要与Cl-伴存，有时有SO42-和HCO3-，高矿化水分布广含量低同上易被植物吸收、粘土吸附、生成不溶于水的次生矿物Ca+很广含量低碳酸盐类（石灰岩、白云岩）及石膏的溶解，及岩浆岩与变质岩中的含钙矿物的风化与SO42-和HCO3-伴存低矿化水很广含量低白云岩、泥灰岩的溶解岩浆岩、变质岩中含镁矿物风化地壳中含量少易为植物吸收参与许多硅酸的生成NaK2Mg5.2.3地下水中的主要微量元素微量元素对人体健康有明显的影响溴、碘、氟、硼5.2.4地下水中的其他成分胶体来源Fe（OH）3铁矿硫化矿物的风化水解难溶水Al（OH）3铝硅酸盐矿物的风化不稳定易形成次生矿物沉淀SiO2铝硅酸盐矿物的风化极难溶于水（碱性热水中溶解度大）有机质：生物遗体的分解、土壤、天然气的溶解等细菌：病原菌：污染非病原菌：脱硫细菌、硫磺细菌等，通过生物化学作用影响地下水的化学成分胶体5.2.4地下水的主要化学性质酸碱性：取决于水中H+的浓度，PH表示当PH8时，随着PH值增高，水中HCO3-含量增大，CO2减少；当PH8时，HCO3-随PH增大减少，CO32-含量增高。硬度：由于含有Mg2+、Ca2+而具有的性质总硬度：水中所含Ca2+、Mg2+总量暂时硬度：将水加热至沸腾，水中部分Ca2+、Mg2+将与HCO3-作用生成沉淀，使水中Ca2+、Mg2+减少，减少的这部分Ca2+、Mg2+含量称为暂时硬度永久硬度：水沸腾以后仍留在水中的Ca2+、Mg2+（=总硬度—暂时硬度）碳酸盐硬度：水中与重碳酸根离子相对应的Ca2+、Mg2+、离子的含量。一般大于暂时硬度硬度表示方法：每升水中钙、镁离子的毫克当量数。德国度：每一度即相当于每升水中含有10mgCaO。矿化度：地下水中离子、分子和各种化合物的总量。表示含盐量的大小（g/L）地下水的矿化度与化学成分有关，低矿化水常以HCO3-和Ca2+为主要成分；高矿化水常以Cl-、Na+为主要成分分类：低矿化水、弱矿化水、中等矿化水、高矿化水、卤水5.2.5地下水化学成分的形成作用溶滤作用—水岩相互作用时发生浓缩作用—蒸发排泄时发生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：SO42-→H2S↑阳离子交替吸附作用—岩土表面吸附的阳离子与水中阳离子发生交换混合作用—2种不同类型地下水混合时发生人类活动的作用——影响越来越大一、溶滤作用1.定义：在水与岩土相互作用下，岩土中一部分物质转入地下水中的过程。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成分。CaCO3+H2O+CO2→2HCO-3+Ca2+(固)(水)(气)2.影响因素--（水岩作用）?一、溶滤作用——影响因素岩土--•化学组分（可溶性）（如：石灰岩HCO3-Ca水、花岗岩HCO3-Na水)•空隙特征水---•水的溶解能力（矿化度，O2、CO2气体组分）•水的流动性（关键）a.水中已溶组分的多少—水中盐份含量增高，溶解能力降低b.水中某些气体组分--O2—增加硫化物的…，CO2—增加碳酸盐类...通常刚渗入到地下的水，矿化度很低，随着水在地下含水岩层的运移，不断有新的盐份溶解到水中，水中矿化度增大，水的溶解能力下降，最终水的溶解能力→0，溶滤作用将会停止？是否会？地下水是如何保持它的溶解能力的？地下水的流动（交替）性：地下水的径流速度和交替强度停滞与流动很缓慢的地下水，溶解能力最终会降为零，溶滤作用停止。水如果流动速度快，水交替（更新）迅速，CO2，O2不断被补充，低矿化度水不断更新溶解能力已降低的水思考：如果某地区地下水流动很快，水交替（循环）迅速，溶滤作用很强烈，长期作用下去，地下水水化学特征如何？该地区地下水中的水质--矿化度是高（TDS）？还是低？水中以哪种阴、阳离子为主？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—CaMg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，长期持续（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要用地质历史的观点去考察，去分析与研究问题！！一、溶滤作用——结果二、浓缩作用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变化的过程。浓缩作用（过程）——理想的蒸发浓缩模式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；盐分积累也有补充。因此，实际的蒸发作用可以产生含盐量很高的地下水(卤水)或盐渍化的土地浓缩作用的结果：往往形成高矿化度、以易溶离子为主的地下水（Cl-—Na+为主）影响因素—与蒸发排泄的影响因素相同(气候-地下水位-土层岩性)理想模式图浓缩作用（过程）理想模式1.0L水350mg/L蒸发（1）0.5L700mg/L蒸发（2）0.25L1400mg/L蒸发（3）0.125L2800mg/L0.5L水1.0L水0.25L水5.3.1地下水化学成分的形成作用三、脱碳酸作用（钟乳石、石笋、泉华）Ca2+(Mg2+)+2HCO3-→CO2↑+H2O+CaCO3↓结果：Ca2+↓Mg2+↓HCO3-↓矿化度↓pH↓（略有变化）四、脱硫酸作用(还原环境中脱硫酸细菌使SO42-还原为H2S）SO42-+2C+2H2O→H2S↑+2HCO-3结果：SO42-↓；HCO3-↑，pH↑；寻找油田的辅助标志。五、阳离子吸附交替作用某种阳离子↓，某另一种阳离子增高↑六、混合作用—结果不一定！！七、人为活动的作用（影响）阳离子吸附交替作用定义：当地下水在土壤和岩石空隙中循环运动时，水中的离子与岩土表面吸附的阳离子之间就经常发生互相置换，从而引起地下水成分及矿化度的变化，这种作用称为阳离子交替吸附作用。①离子被吸附能力的强弱：一般离子