6-地下水化学成分及其形成作用

LOGOFundamentalsofHydrogeology水文地质学基础第六章地下水的化学成分及其形成作用主讲教师：张卫民CompanyLogo第六章地下水的化学成分及其形成作用概述地下水不是纯的H2O，而是天然溶液，含有各种组分。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。物理性质：温度、颜色、嗅、味、密度、导电性、放射性。化学成分：气体成分、离子成分、胶体物质、有机质等。CompanyLogo第六章地下水的化学成分及其形成作用概述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。在利用地下水时，不同的用水目的，对水的质量有一定要求（如：饮用水、锅炉用水、灌溉用水、饮用矿泉水、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。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：HCO-3、SO2-4、Cl-阳离子：Ca2+、Mg2+、K+、Na+CompanyLogo、氧（oxygen,O2）、氮（nitrogen,N2）起源：随大气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。说明是大气成因的；若比值小于0.0118，则说明是生物或变质成因的。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还原环境。0118.02NXeKrArCompanyLogo、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，油田水脱硫酸作用：SHHCOOHCSO22243222脱硫酸细菌（有机质）↑CompanyLogo、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，可变质生成CO2深部地幔和地壳：通过活动的深大断裂。人类活动：在化石燃料（煤、石油、天然气），导致大气中的CO2增加，引起温室效应。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增强！CompanyLogo地下水中气体成分的研究意义：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6.1.1气体成分——研究意义CompanyLogo主要离子成分地下水中的主要离子成分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：Ation阴离子：HCO-3、SO2-4、Cl-Cation阳离子：Ca2+、Mg2+、K+、Na+CompanyLogo主要离子成分常见离子在水中的相对含量与地下水中的溶解性总固体（TDS，也叫矿化度）有关：矿化度(g/L):低(1)中(1-10)高(10-30)阴离子:HCO-3SO2-4Cl-阳离子:Ca2+Ca2+，Na+Na+地下水的矿化度与离子成分间的这种对应关系，主要与离子构成的盐类溶解度有关（参见54页表7-1）：碳酸盐类硫酸盐类氯化物CompanyLogo主要离子成分低矿化度水中的常见离子：HCO-3、Ca2+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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、火山喷发的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SO2-4过高时，降“酸雨”地下水中主要离子成分来源(自学P53-57）CompanyLogo地下水化学成分形成作用1、溶滤作用—水岩相互作用时发生2、浓缩作用—蒸发排泄时发生3、脱碳酸作用—在温度与压力发生变化时发生4、脱硫酸作用—在还原环境下发生：SO42-→H2S↑5、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6、混合作用—2种不同类型地下水混合时发生7、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↑。溶滤过程包括了溶解和结晶两种作用。2.影响因素--（水岩作用）p611）岩土性质--•矿物组分：矿物组分的可溶性,组分溶解度的差异导致易溶先进入水中，难溶的后进入水中•空隙特征：缺乏裂隙的致密基岩，水难于与矿物盐类接触，因此溶滤作用难以发育6.2.1溶滤作用——影响因素2）水性质---•水的溶解能力（TDS，O2、CO2气体组分，水的流动性）水中已溶组分的多少—水中盐份含量增高，溶解能力降低水中某些气体组分--O2—增加硫化物的…，CO2—增加碳酸盐类...水交替强度（水的流动性）--水交替强度越大，地下水的溶解能力就越大；反之溶解能力就越小。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，溶滤作用将会停止？是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）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。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。径流速度和交替强度（地下水的流动性）是决定溶滤作用强度最活跃最关键的因素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水。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；中期：岩土贫Cl盐类，继续作用，较易溶SO42-盐类被溶入中→随水带走：晚期：贫SO42-盐类，持续作用，岩土中只剩较难溶的碳酸盐类。目前山区地下水化学成分特征？6.2.1溶滤作用——结果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—溶解的组分会被带走（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！！6.2.1溶滤作用——结果CompanyLogo6.2.2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，从而引起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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—气候、地下水位、土层岩性、地形等。(展开内容）理想模式图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脱碳酸作用脱碳酸作用（钟乳石、石笋、泉华）定义：指由于水的温度增加或压力P下降，溶于水中CO2从水中逸出，从而引起水质发生变化的过程。Ca2+(Mg2+)+2HCO3-→CO2↑+H2O+CaCO3↓结果：引起地下水中Ca2+、Mg2+、HCO3-减少；矿化度（TDS）下降；pH下降（略有变化）深部地下水上升成泉，泉口往往形成钙华，这是脱碳酸作用的结果。6.2.4脱硫酸作用脱硫酸作用定义：指还原环境中，有有机质存在时，脱硫酸细菌使SO42-还原成H2S，从而引起水质发生变化的过程。SO42-+2C+2H2O→H2S↑+2HCO-3结果：地下水中SO42-减少甚至消失；HCO-3增加；H2S增加；pH值升高。某些油田水中，出现H2S，而SO42-含量很低，这一特征可以作为寻找油田的辅助标志。6.2.5阳离子吸附交替作用阳离子吸附交替作用定义：指岩土颗粒表面因静电作用而吸附的阳离子，在一定条件下部分转入水中，而水中的某些阳离子转入吸附到岩土颗粒表面的过程。影响因素1）阳离子本身吸附能力的大小水中吸附能力大的阳离子可以交替岩土颗粒表面吸附能力小的阳离子。阳离子吸附能力由大至小的顺序：H+Fe3+Al3+Ca2+Mg2+K+Na+离子价愈高，离子半径愈大，则吸附能力愈大。H+则是例外2）水中阳离子的浓度水中某种阳离子浓度越大，则其交替吸附能力就越强，甚至可以发生吸附能力小的交替岩土颗粒表面吸附能力大的阳离子。6.2.5阳离子吸附交替作用阳离子吸附交替作用影响因素2）水中阳离子的浓度例如：在海水入侵大陆时可以发生如下反应：3）岩土本身吸附能力的大小主要取决于其比表面积（1克重的岩土颗粒表面积），比表面积越大，则岩土本身吸附能力就越大，交替吸附能力越强；反之，交替吸附能力越弱。2222CaClNaCaNaCl（吸附）（吸附）6.2.6混合作用混合作用定义：指成分或矿化度不同的两种地下水相遇，引起水质发生变化的过程。结果：可能发生化学反应而形成化学类型完全不同的地下水，如浅部的HCO3-C