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第六章地下水的化学成分及其形成作用6.1研究地下水化学成分的意义1.水是复杂的水溶液；2.确定地下水的起源与形成。3.各种目的利用地下水对水质有要求；4.是宝贵的液体矿产，需要查明有关组分的富集规律。5.作为找矿的标志。6.作为地下水污染程度的标志。6.2地下水的化学特征◆元素在地下水中的含量，取决于其在地壳中的含量及其溶解度。◆元素在地下水中一般以离子、分子或气体状态存在，以离子状态为主。一、地下水中主要气体成分◆主要气体成分：O2、N2、CO2、CH4、H2S等，以前三种为主。◆气体成分的意义：1.反映了地下水所处的地球化学环境的特征.☆O2起源于大气并指示氧化环境。影响地下水中元素的迁移和化学成分的形成。☆N2的单独存在，可说明地下水起源于大气并处于还原环境.大气中（Ar＋Kr＋Xe）/N2＝0.0118。据此可用以判断地下水中N2的起源.☆H2S、CH4说明处于缺O2的还原环境。一般出现在封闭地质构造的地下水中。若浅部地下水中出现，则是受到了污染。2.增加水溶解盐类的能力，促进某些化学反应.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。1.Cl－（高矿化水的主要阴离子)◆广泛分布于地下水中.含量变化大，由数mg/l～数百g/l。常可用来说明地下水的矿化程度。◆来源：☆沉积岩、岩浆岩的溶解；☆海水；☆来自火山喷发物的溶滤；☆人为污染。注意：居民点附近矿化度不高的地下水中如发现Cl－含量超过一般情况，则说明已受到污染。2.SO42－（中等矿化水主要的阴离子）◆SO42－在水中的含量受Ca2＋的限制，在还原环境中可被还原成H2S。远不如Cl－含量高。◆来源：☆含石膏或其它硫酸盐沉积物的溶解；☆天然硫或硫化矿物的氧化☆化石燃料的燃烧。◆煤系地层常含有很多黄铁矿，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以SO42－为主。3.HCO3－（低矿化水的主要阴离子）◆分布广泛，但含量一般不超过数百mg/l.除了酸性水外，所有淡水中HCO3－均可出现。◆来源：碳酸盐岩石的溶解：岩浆岩与变质岩地区，铝硅酸盐矿物的风化溶解。4.Na＋（高矿化水的主要阳离子）◆低矿化水中，Na＋含量仅数mg/l～数十mg/l；高矿化水中，Na＋含量最高可达数十g/l。◆来源：沉积岩、岩浆岩和变质岩的溶解；海水；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。三、地下水中的其它成分◆次要离子：H＋、Fe2＋、Fe3＋、Mn2＋、NH4＋、OH－、NO3－、NO2－、CO32－等；◆微量元素：Br、I、F、B、Sr等；◆胶体：如Fe(OH)3，Al(OH)3和H2SiO2等。◆有机质◆微生物四、地下水主要化学性质（一）酸碱性1.表示方法：PH＝－lg[H+]PH＝7,水呈中性;PH7,水呈酸性;PH7,水呈碱性2.地下水按PH值分类：PH值55～777～99酸碱度强酸性弱酸性中性弱碱性强碱性（二）总矿化度（总含盐量、总溶解固体TDS）1.总矿化度：地下水中所含各种离子、分子及化合物的总量。以g/L表示。2.表示方法：☆105—110℃时，将水烘干后所得的干涸残余物的总量☆按化学分析所得的全部离子、分子及化合物量相加。（其中HCO3－含量应取一半）3.地下水按总矿化度分类：矿化度（g/L）11～33～1010～5050地下水类别淡水微咸水咸水盐水卤水（三）硬度1.硬度：水中Ca2＋、Mg2＋含量。2.分类：☆总硬度：水中所含Ca2＋、Mg2＋的总量。☆暂时硬度：将水加热至沸腾后,由于形成碳酸盐沉淀而从水中析出的那一部分Ca2＋、Mg2＋的含量。☆永久硬度：水煮沸后仍留在水中的Ca2＋、Mg2＋含量。☆碳酸盐硬度:水中与HCO3－含量相当的Ca2＋、Mg2＋含量.当[Ca2++Mg2+]≤[HCO3-]时,暂时硬度=总硬度.当[Ca2++Mg2+][HCO3-]时,暂时硬度=碳酸盐硬度.3.表示方法：☆毫克数（mg/L，以CaCO3计）☆毫克当量数（meg/L）：一升水中含Ca2＋、Mg2＋的毫克当量总数。离子的当量＝离子量（原子量）/离子价化合物的当量=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。1meg/L＝2.8H°4.地下水按硬度分类：饮用水的适宜硬度一般为4.2～9meg/L，即12~25H°.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）＜7575～150150～300300～450＞450硬度（meq/L）＜1.51.5～33～66～9＞9硬度（H°）＜4.24.2～8.48.4～16.816.8～25.2＞25.2（四）侵蚀性1.碳酸盐侵蚀CaCO3＋H2O＋CO2Ca2＋＋2HCO3－☆平衡CO2☆侵蚀性CO2混凝土固结后，在其表面及内部皆形成CaCO3。当含有侵蚀性CO2的水与混凝土接触时，CaCO3将溶解，从而使混凝土结构遭到破坏。2.硫酸盐侵蚀（结晶性侵蚀）水中的可溶性离子（Na＋、K＋等）的硫酸盐与水泥中的Ca(OH)2及水化铝酸钙发生反应，生成石膏和钙钒石。钙钒石：CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O钙钒石体积约为原水化铝酸钙的2.5倍，从而引起混凝土体积显著增大，结构疏松，遭受破坏。☆在SO42－含量高的水下建筑物中，可选用普通抗硫酸盐水泥或高抗硫酸盐水泥。3.酸性侵蚀酸性水中铁置换H＋的作用称为酸性侵蚀。☆当PH＝6.5时，水对铁质材料即有腐蚀作用，可将水泵的使用年限缩短5％，☆PH4时，各种金属设备只要泡上几天或十几天就不能用了。6.3地下水的温度变温带常温带（多年平均气温）增温带地壳温度分布示意图◆增温带☆地温梯度r：每增加单位深度时地温的增值。一般以℃/100m为单位。平均值约为3℃/100m。通常变化于1.5－4℃/100m之间。☆地下水温度的推算：☆地下水循环深度的推算：rhHtT)(hrtTH变温带常温带（多年平均气温t）增温带hH1.溶滤作用：普遍发生，是主要作用。☆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。低矿化水溶滤作用强.④水中CO2、O2等气体成分的含量。⑤水的流动状况。6.4地下水化学成分的形成作用◆溶滤作用与纯化学的溶解作用：不同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。一个地区经受溶滤愈强烈，时间愈长久，地下水的矿化度愈低，愈是以难溶离子为其主要成分。2.浓缩作用◆其结果表现为：①水的矿化度增高；②改变地下水的化学类型。◆通常浓缩作用的影响深度不大，主要是通过毛细作用上升到地表而发生的。在十分干旱的气候条件下，埋深达数十米的潜水产生的浓缩作用，主要是汽态的水分子从深部不断上逸而形成的，其蒸发强度是极微弱的。3.脱碳酸作用◆定义：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。◆发生在温度或压力突变的地方。如深部地下水上升形成的泉，往往在泉口形成钙华；在喀斯特地区溶洞内见到的石钟乳、石笋、石柱等现象，都是由于脱碳酸作用的结果。4.脱硫酸作用：SO42－＋2C＋2H2OH2S＋2HCO3－封闭的地质构造，如储油构造，是形成脱硫酸作用的有利环境。油田水中SO42－的含量极少甚至没有，而H2S气体含量却很高。5.阳离子交替吸附作用◆离子吸附能力取决于：①离子价、离子半径。离子价越高，离子半径越大，则吸附能力愈大。H＋例外。H＋Fe3+Al3+Ca2+Mg2+K+Na+。②离子的浓度浓度大的离子较浓度小的离子易被吸附。◆交替吸附作用的规模比表面积（表面积/体积）愈大，交替吸附作用的规模也就愈大。6.混合作用☆化学混合☆物理混合7.人类活动对地下水化学成分的影响◆消极：☆人类的工农业生产及日常生活使地下水污染。☆滨海地区过量开采，引起海水入侵；☆不合理开采使咸水进入淡含水层；☆不合理灌溉，造成土地盐渍化。◆积极：如：兴修水利、修筑渠道，改善地下水质。6.5地下水化学成分的基本成因类型从形成地下水化学成分的基本成因出发，可将地下水分为三个主要成因类型：◆溶滤水富含CO2、O2的渗入成因的地下水，溶滤它所流经的岩土而获得其主要化学成分。称溶滤水。其成分受岩性、气候、地貌等因素影响。◆沉积水与沉积物大体同时生成的古地下水。其化学成分主要来源于形成沉积物的水体。◆内生水源自地球深部层圈的水。◆简分析：一般用于地下水普查阶段。以了解区域地下水化学成分的概貌。☆分析特点：项目少，精度要求低，但要求快而及时。☆分析项目：物理性质定量分析：HCO3－、SO42－、Cl－、Ca2＋、总硬度、PH值。通过计算可求得水中各主要离子含量及总矿化度。定性分析：项目则不固定，较经常的有NO3－、NO2－、NH4＋、Fe3＋、H2S、耗氧量等。6.6地下水化学成分分析与资料整理◆全分析：在简分析的基础上选择有代表性的水样进行全分析。以较全面地了解地下水化学成分。☆特点：分析项目较多，要求精度高，并非是将水中的全部成分都加以分析。而是简分析的补充和提高。☆分析项目：HCO3－、SO42－、Cl－、CO32－、NO2－、NO3－、Ca2＋、Mg2＋、K＋、Na＋、NH4＋、Fe2＋、Fe3＋、H2S、CO2、耗氧量、PH值及干涸残余物。◆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(一)各种离子浓度单位的换算：◆离子毫克数表示法：mg/l◆离子毫克当量表示法：meq/L◆离子毫克当量百分数meq%：某阴（阳）离子meq%＝％总数阴（阳）离子毫克当量当量数某一阴（阳）离子毫克100（二）水化学分析结果误差检验e=（∑k—∑a）\(∑k+∑a)×100%式中：∑k—阴离子总含量(meq%);∑a—阳离子总含量(meq%)。一般要求：全分析e2%,简分析e5%,否则结果不能采用。(三）水化学成分的库尔洛夫式表示方法特殊成分·气体成分·总矿化度(M)1.凡是meg％＞10％的离子均列入分式。按由大到小的次序在分子的位置上排列阴离子，分母位置上排列阳离子。2.公式前端依次标示特殊成分、气体成分、矿化度(M),单位均为g/L。3.水温t°附于公式后端。4.百分含量值放在离子的右下角，至于某些成分，其右下角为原子数所占，则将该原子数移至右上角。t10meg10meg水温％者列入）％＞阳离子（％者列入）％＞阴离子（78.2768.71434.1476.84CaNaSOCl例：根据水分析资料知，某温泉水的总矿化度为3.27g/L，各主要离子成分的毫克当量百分数为：Cl－占84.76％，SO42－占14.34％，HCO3－占0.78％，Na＋占71.63％，Ca2＋占27.78％，Mg2＋占0.59％。H2S的含量达20.8mg/L，游离CO2为31mg/L，H2SiO3含量为700mg/L，水温52℃，其库尔洛夫表达式为：H2SiO0.73·H2S0.021·CO0.0312·M3.27t°5278.2768.7143