水文地质学基础-第6章-地下水的化学成分及其形成作用

FundamentalsofHydrogeoloy水文地质学基础第6章地下水的化学成分及其形成作用中国地质大学水文地质学基础教学组佛鸣一鼎提供，更多地大资料qq:605734043内部资料及历年真题6.1地下水的化学成分CompanyLogo概述一、地下水化学成分的特点：地下水不是纯的H2O，而是成分复杂天然溶液。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。化学性质：气体成分、离子成分、胶体物质、有机质等。6.0概述（续1）二、地下水化学成分研究的意义理论上：揭示地下水的形成和起源地下水的化学成分是地下水与环境（自然地理、地质背景以及人类活动）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。研究地下水的化学成分，可以回溯一个地区的水文地质历史，阐明地下水的起源与形成。实际应用：水质评价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）三、研究方法：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CompanyLogo地下水的化学成分一、地下水中常见的气体成分氧（O2）、氮（N2）、二氧化碳（CO2）硫化氢（H2S）、甲烷（CH4），常见气体成分与地下水所处环境和地下水来源有关二、地下水中主要离子成分地下水中含量多的有七种离子阴离子：HCO3-，SO42-，Cl-阳离子：Ca2+,Mg2+,K+,Na+CompanyLogo、氧（oxygen,O2）、氮（nitrogen,N2）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（methane,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，油气藏，油田水CompanyLogo气体成分（续1）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！CompanyLogo气体成分（续2）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——oxidation还原环境——deoxidation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CompanyLogo主要离子成分水中离子成分主要取决于：①元素的丰度（克拉克值)：某元素在地壳化学成分中的重量百分比；②元素组成的化合物在水中的溶解度地壳中主要元素有哪些？地壳中丰度较高的元素：Si、Al、Fe（地下水中低）地壳中丰度较低的元素：Cl、S、C（地下水中高）地下水中主要离子有：Anion阴离子：HCO-3、SO2-4、Cl-Cation阳离子：Ca2+、Mg2+、K+、Na+CompanyLogo主要离子成分（续1）主要离子构成的盐类溶解度有关（参见52页表6-1）：碳酸盐类硫酸盐类氯化物常见离子在水中的相对含量与地下水中的总固体溶解物（TDS）——或矿化度有关：矿化度(g/L):低(1)中(1-10)高(10-30)阴离子:HCO3-SO42-Cl-阳离子:Ca2+Ca2+,Mg2+Na+,K+水中阴离子在地下水水流过程的（分布）变化CompanyLogo主要离子成分（续2）地下水水流过程的阴离子变化CompanyLogo主要离子成分（续3）低矿化度水中的常见离子：HCO3-，Ca2+，Mg2+，常来源于沉积盐岩、岩浆岩、变质岩的风化溶解高矿化度水中的常见离子：Cl-,Na+,K+，沉积盐岩（钠盐、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”地下水中主要离子成分来源CompanyLogo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产生脱硫酸作用—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CompanyLogo定义：水与岩土相互作用下，岩土中某些组分向地下水中转移的过程。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使水中TDS↑。CaCO3+H2O+CO2→2HCO3-+Ca2+(固)(水)(气)2.影响因素--（水岩作用）?6.2.1溶滤作用——影响因素岩土--化学组分（如：石灰岩HCO3-Ca水、花岗岩HCO3-Na水)组分的可溶性（溶解度、溶解速度）盐分溶解度的差异导致易溶先进入水中，难溶的后进入水中岩土的空隙性水---水的溶解能力（TDS，O2、CO2气体组分），水的流动性a.水中已溶组分的多少b.水中某些气体组分思考：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TDS↑，水的溶解能力下降，最终水的溶解能力→0，溶滤作用是否会停止？？CompanyLogo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（V与Q）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TDS水不断更新溶解能力已降低的水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？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—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！！CompanyLogo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的变化过程。浓缩作用（过程）——理想的蒸发浓缩模式CompanyLogo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)CompanyLogo丘陵倾斜平原区低平原浓缩作用水流迟缓矿化度高、Cl--Na过渡区矿化度中、SO4--MgCa地下水化学特征具有分带性溶滤作用水交替迅速矿化度低、HCO3--Ca由于地下水化学成分形成作用受区域自然地理与地质条件的影响，地下水的化学特征往往具有一定的分带性（空间上的）。6.2.3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）6.2.4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↑+2HCO3-结果：SO42-↓；HCO3-↑，pH↑；寻找油田的辅助标志。6.2.5阳离子吸附交替作用定义：岩土颗粒表面往往带有负电荷，可以吸附某些阳离子。当地下水与岩土表面接触时，地下水中某些阳离子会与被吸附的阳离子发生交换，从而导致地下水的化学成分发生变化。结果：某种阳离子↓，另一种阳离子↑6.2.6混合作用——结果不一定！！6.2.7人为活动的作用（影响）（一）废弃物污染地下水（二）改变地下水形成条件6.3总矿化度与地下水化学成分分类6.3.1地下水化学成分的分析内容——是水质评价基础分为简分析和全分析，某些专门性工作进行专项分析。简分析：除物理性质（色、味、嗅、透明度、悬浮物等）主要定量分析：HCO3-、SO42-、Cl-、Ca2+、总硬度、pH,Mg2+、K++Na+及矿化度有时含专项分析：NO3-，NO2-，NH4，Fe2+Fe3+，H2S，耗氧量等CompanyLogo地下水化学成分的分析内容全分析项目较多，要求精度高，通常在简分析得基础上选择代表性水样进行全分析一般定量分析：HCO3-,SO42-,Cl-，Ca2+,Mg2+,K+,Na+，NO3-，NO2-，NH4+，Fe2+Fe3+，H2S，CO2,耗氧量，总硬度，pH,及干涸残余物；某些微量元素、有毒组分；研究水的侵蚀性时需分水的侵蚀性CO2。CompanyLogo6.3.2矿化度或总固体溶解物(TDS）矿化度或总固体溶解物(TDS）（totaldissolvedsolids，totaldissolvedsalt)地下水中各种离子、分子与化合物的总量称为矿化度求算方法：①105～110℃温度下，水样烘干后的干涸残余物质，单位：g/L,mg/L(ppm)②计算中，用全分析实验结果，阴阳离子总和减1/2HCO3-含量求算据矿化度的水样分类：1g/L,1～3g/L,3～10g/L,10～50g/L,50g/L淡水微咸水咸水盐水卤水6.3.3水化学成分的表示方法—库尔洛夫式分式前：特殊成分、气体成分、矿化度M，单位(g/L)分式上下：阴、阳离子（毫克当量百分数≥10%或称视毫摩尔百分数）分式后：水温（oC)特点是直观、表示简单也较全面，可以反映水的成因类型（常用方法）05227.871.6414853.220.03130.072CaNaSOClMCOSiOHt库尔洛夫式:前苏联学者C