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第六章地下水的化学成分、物理性质及其形成作用6．1地下水的化学特征6．2地下水的物理性质6．3地下水化学成分的形成作用6．4地下水化学成分的基本成因类型6．5地下水化学成分的分析内容与分类图示6．6地下水的水质评价概述一、地下水是一种复杂溶液地下水不是化学上纯的H2O，而是一种复杂的溶液。其原因：1.地下水与岩土不断发生化学反应；2.地下水与大气圈、水圈和生物圈进行化学成分交换；3.地下水在人类活动影响下化学成分发生深刻变化。二、研究地下水化学成分特征的意义1.地下水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。它反映了该地区地下水的历史演变。研究地下水的化学成分，可以帮助我们回溯一个地区的水文地质历史，阐明地下水的起源与形成。2.水是地球中元素迁移、分散与富集的载体。许多地质过程（岩溶、沉积、成岩、变质、成矿）都涉及地下水的化学作用。研究成矿等地质过程中地下水的化学作用，对于阐明成矿机制，完善和丰富成矿理论具有重要意义。3.地下水化学成分对于用于各种地下水利用的目的，水质评价都具有决定性意义。4.地下水化学成分的确定，有助于查明地下水有关物质的迁移、分散规律，对寻找矿产资源，确定矿床或污染源位置具有重要意义。三、地下水化学成分研究理论及特征1.理论基础：水文地质学的分支——水文地球化学，研究地下水中化学元素迁移、集聚与分散的规律，地下水水质演变的学科。2.学科联系：地下水动力学，研究地下水运动与地下水水量变化的学科。两者构成了水文地质学的理论基础。3.研究特征：1）水文地球化学的研究必须与地下水运动研究紧密结合，因为地下水中元素的迁移不能脱离水的流动。2）不能从纯化学角度，孤立、静止地研究地下水的化学成分及其形成，而必须从水与环境长期相互作用的角度出发，揭示地下水化学演变的内在依据与规律。因为地下水水质的演变具有时间上继承的特点，自然地理与地质发展历史给予地下水的化学面貌以深刻影响。地下水水流过程的阴离子变化6．1地下水的化学特征一、地下水总体化学成分各种气体、离子、胶体物质、有机质以及微生物等。自然界中存在的元素，绝大多数已在地下水中发现。二、地下水中主要气体成分1.主要成分及含量：常见的气体成分有O2、N2、CO2、CH4及H2S等，含量不高，每公升水中只有几毫克到几十毫克。2.作用：1）反映地下水所处的地球化学环境；2）有些气体会增加水溶解盐类的能力，促进某些化学反应。三、主要气体成分特点1.氧（O2）、氮（N2）1）来源：主要来源于大气。它们随同大气降水及地表水补给地下水。以入渗补给为主、与大气圈关系密切的地下水中含O2及N2较多。2）特点：a.O2多，说明地下水所处的地球化学环境有利于氧化作用进行，环境开放；b.N2单独存在，通常说明地下水起源于大气并处于还原环境。c.大气中的惰性气体(A、Kr、Xe)与N2的比例恒定，即：(A+Kr+Xe)／N2＝0.0118。比值等于此数，说明N2是大气起源的；小于此数，表明水中含有生物起源或变质起源的N2。2.硫化氢（H2S）、甲烷（CH4）1）来源：H2S与CH4来自于大气比较隔绝的环境中，有有机物存在，微生物参与的生物化学过程中生成。其中，H2S是SO42-的还原产物。2）特点：地下水中出现H2S与CH4，说明其处于还原的地球化学环境，常出现在封闭地质构造的地下水中。SO42-→H2S，成煤过程，煤田水，成油过程，油气藏，油田水3.二氧化碳（CO2）1）来源：a.主要来源于土壤。有机质残骸的发酵作用与植物的呼吸作用使土壤不断产生CO2，并溶入流经土壤的地下水中。b.深部变质来源。含碳酸盐类的岩石，在深部高温下，也可以变质生成CO2。在少数情况下，地下水中可能富含CO2甚至高达1g/L以上。c.少量来源于降水和地表水，但含量通常较低。d.人为来源。2）作用：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。四、地下水中主要离子成分1.总体特征1）主要离子成分：氯离子（C1－）、硫酸根离子(SO42-)、重碳酸根离子（HCO3－）、钠离子（Na+）、钾离子（K+）、钙离子（Ca2+）及镁离子（Mg2+）。2）地下水中上述离子分布广、含量多的原因：a.构成这些离子的元素，是地壳中含量较高，且较易溶于水的。如：O2、Ca、Mg、Na、K。b.含量虽不大，但极易溶于水的。如：Cl、以SO42-形式出现的S。而Si、A1、Fe等元素，虽然在地壳中含量很大，但由于其难溶于水，地下水中含量通常不大。3）不同矿化度地下水中主要离子成分特征a.低矿化水（1g/L）：以HCO3－及Ca2+、Mg2+为主；b.高矿化水（1-10g/L）：以Cl－及Na+为主；c.中等矿化水（10-30g/L）：以SO42-为主，阳离子可以是Na+，也可以是Ca2+。4）地下水的矿化度与离子成分间对应关系主要原因常见离子在水中的相对含量与地下水中的总固体溶解物或矿化度有关是由于水中盐类溶解度的不同。地下水中常见盐类的溶解度（℃，单位：g/L）由于溶解度碳酸盐类硫酸盐类氯化物，钙的硫酸盐，特别是钙、镁的碳酸盐，溶解度最小；随着矿化度增大，钙、镁的碳酸盐首先达到饱和并沉淀析出，继续增大时，钙的硫酸盐也饱和析出，因此，高矿化水中便以易溶的氯和钠占优势了（由于氯化钙的溶解度更大，因此在矿化度异常高的地下水中以氯和钙为主）。2.各主要离子成分特点及来源1）C1－①特点：分布广泛，但含量变化范围大，随着矿化度增长而不断增加。氯离子不为植物及细菌所摄取，不被土粒表面吸附，氯盐溶解度大，不易沉淀析出，是地下水中最稳定的离子。C1－的含量常可用来说明地下水的矿化程度。②来源：a.来自沉积岩中所含岩盐或其它氯化物的溶解；b.来自岩浆岩中含氯矿物，如：氯磷灰石Ca5(PO4)3Cl、方钠石NaAISiO4•NaCl等的风化溶解；c.来自海水；d.来自火山喷发物的溶滤；e.人为污染。注意：矿化度不高的地下水中，如发现C1－的含量超过寻常，则说明很可能已受到污染。2）SO42-①特点：高矿化水中，SO42-的含量仅次于C1－，可达数克／升，个别达数十克／升；在低矿化水中，一般含量仅数毫克/升到数百毫克／升；中等矿化的水中，SO42-成为含量最多的阴离子。与C1－相比，不如C1－含量高和稳定，原因是：a.CaSO4溶解度较小，限制了SO42-在水中的含量；b.在还原环境中，SO42-常被还原成H2S和S。②来源：a.石膏(CaSO4·2H2O)或其它硫酸盐沉积盐类溶解；b.天然S和金属硫化物的氧化，如：2S+3O2+2H2O→4H++2SO42-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也常含大量的SO42-；c.火山喷发H2S气体氧化；d.人类活动—燃烧煤产生大量SO2，SO2氧化后形成之，大气中SO2过高时，降“酸雨”，入渗补给地下水，使水中SO42-明显增加。3）HCO3－①特点：地下水中HCO3－的含量一般不超过数百毫克／升，HCO3－几乎总是低矿化水的主要阴离子成分。②来源：a.含碳酸盐的沉积岩与变质岩(如大理岩)；CaCO3和MgCO3是难溶于水的，当水中有CO2存在时，方有一定数量溶解于水，水中HCO3－的含量取决于与CO2含量的平衡关系。b.岩浆岩与变质岩地区，主要来自铝硅酸盐矿物的风化溶解。4）Na+①特点：Na+在低矿化水中的含量一般很低，仅数毫克／升到数十毫克／升，但在高矿化水中则是主要的阳离子，其含量最高可达数十克／升。②来源：a.来自沉积岩中岩盐及其它钠盐的溶解；b.来自海水；c.在岩浆岩和变质岩地区，来自含钠矿物的风化溶解。由于Na2CO3的溶解度比较大，故当阳离子以Na+为主时，水中HCO3－的含量可超过与Ca2+伴生时的上限。5）K+①来源：a.来自含钾盐类沉积岩的溶解；b.在岩浆岩和变质岩地区，来自含钾矿物的风化溶解（如钾长石）。②特点：在低矿化水中含量甚微，而在高矿化水中较多。地壳中钾的含量与钠相近，钾盐的溶解度也相当大。但是，在地下水中K+的含量要比Na+少得多。原因：a.K+大量地参与形成不溶于水的次生矿物(水云母、蒙脱石、绢云母)；b.易为植物所摄取。由于K+的性质与Na+相近，含量少，在分析过程中，一般将K+归并到Na+中，不另区分。6）Ca2+①特点：钙是低矿化地下水中的主要阳离子，其含量一般不超过数百毫克／升。在高矿化水中，由于阴离子主要是C1－，而CaCl2的溶解度相当大，故Ca2+的绝对含量显著增大，但通常仍远低于Na+。矿化度格外高的水，钙也可成为主要离子。②来源：a.碳酸盐类沉积物及含石膏沉积物的溶解；b.岩浆岩、变质岩中含钙矿物的风化溶解。7）Mg2+①特点：Mg2+在低矿化水中含量通常较Ca2+少，通常不成为地下水中的主要离子，部分原因是由于地壳组成中Mg比Ca少。②来源：a.含镁的碳酸盐类沉积（白云岩、泥灰岩）；b.来自岩浆岩、变质岩中含镁矿物的风化溶解。五、地下水中的其它成分1.次要离子：H+、Fe2+、Fe3+、Mn2+、NH4+、OH－、NO2－、NO3－、CO32－、SiO3－、PO43－等。2.微量组分：Br、I、F、B、Sr、Ba等。其作用：1）说明地下水的形成环境；2）对人体健康有明显影响。3.未离解的化合物构成的胶体：如Fe(OH)3、A1(OH)3、H2SiO3等。上述难离解的化合物以胶体方式出现，在地下水中含量可以大大提高。如SiO2常以胶体方式H2SiO3在低矿化水中占有不可忽视的比例。4.有机质：是以C、H、O为主的高分子化合物，经常以胶体方式存在于地下水中。有机质的存在，常使地下水酸度增加，并有利于还原作用。5.各种微生物：氧化环境中存在硫细菌、铁细菌等；还原环境中存在脱硫酸细菌等；在污染水中，还有各种致病细菌。其作用：1）指示地下水环境；2）对地下水化学成分的形成与变化起着很大作用；3）污染水中各种致病细菌影响人类健康。6.构成水的氢、氧同位素及碳同位素：1H、2H、3H；16O、17O、18O；12C、13C、14C。作用：判断地下水年龄；地下水成因与形成。六、地下水的矿化度、酸碱度及硬度1.矿化度1）概念：存在于地下水中的离子、分子及化合物的总含量。以g/l表示。它表示水中含盐量的多少，即水的矿化程度。包括所有呈溶解状态及胶体状态的成分，但不包括游离状态的气体成分。2）矿化度的求得a.水样蒸干法：在105℃-110℃下将水样蒸干得到的干涸残余物含量。b.理论计算法：将水样分析得到的全部离子、分子及化合物含量相加。注意：由于蒸干时得到的HCO3－含量只大约相当于实际含量一半，因此，利用分析结果计算矿化度时，HCO3－只应计算其含量的一半。3）根据矿化度进行的地下水分类地下水按矿化度的分类2.酸碱度1）概念：表示地下水的酸碱程度，用H+浓度或pH值衡量。2）酸碱度表示方法：通常用pH值表示，即水中H+浓度的负对数值。pH=－lg[H+]3）根据酸碱度进行的地下水分类地下水按酸碱度的分类3.硬度1）概念：指水中Ca2+、Mg2+含量的多少。2）硬度区分：a.总硬度：水中所含Ca2+、Mg2+的总量；b.暂时硬度：水加热沸腾时，形成碳酸钙沉淀使水中失去一部分Ca2+、Mg2+。这失去的一部分Ca2+、Mg2+含量即为暂时硬度。c.永久硬度：水沸腾后仍留在水中的Ca2+、Mg2+含量。它等于总硬度与暂时硬度之差。3）硬度表示方法：a.毫克当量（meq）表示法：用水分析结果中Ca2+、Mg2+的meq总和表示水的硬度。Meq=离子毫克含量/离子当量b.德国度（H0）表示法：一个H0相当于1升水中含有10mgCaO或7.2mgMgO由于28mgCaO相当于1meq，所以，1meq硬度相当于2.8H04）根据硬度进行的地下水分类地下水按硬度的分类七、地下水化学成分表示式为了简明地反映水的化学特点，地下水化学成分表示式一般采用库尔洛夫式表示。1.将阴阳离子分别标示在横线上下，2.按毫克当量百分数（meq％）自大而小顺序排列，小于10