第6讲--地下水的物理性质、化学成分及其形成作用

地下水的物理性质及化学成份概述地下水的物理性质地下水的化学成份本章内容§1概述一、地下水是一种复杂的溶液(原因包括以下几点)：赋存于岩石圈中,不断与岩土发生化学反应;与大气圈、水圈和生物圈进行水量和化学成分的交换。人类活动的影响改变了地下水的化学面貌。————地下水的化学成分是地下水与环境（地理、地质、人类活动）——长期相互作用的产物。某区地下水的化学面貌,反映该区地下水的历史演变。二、研究地下水化学成份特征的意义地下水化学成分是地下水与环境---自然地理、地质背景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。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，对于阐明成矿机制善和丰富成矿理论具有重要意义。地下水是宝贵的液体矿产：研究地下水化学成分对寻找矿产资源，确定矿床或污染源位置具有重要意义。盐矿、油田、金属矿床所形成特定化学元素的分散晕圈是找矿的重要标志。污染物在地下水中散布,也会形成晕圈。含大量盐类(如NaCl、KCl)或富集某些稀散元素(Br、I、B、Sr等)的地下水是宝贵的工业原料；某些具有特殊物理性质与化学成分的水具有医疗意义；地下水是宝贵的液体矿产：Br:用于水的纯化（游泳池）。B：和钛钨一起制轻质抗热合金，也用于抗热玻璃的制造，眼睛消毒液的配制。Sr：用于焰火，具有洋红色火焰，也用于核能电池。某些具有特殊物理性质与化学成分的水具有医疗意义；地下水是宝贵的液体矿产：含大量盐类(如NaCl、KCl)或富集某些稀散元素(Br、I、B、Sr等)的地下水是宝贵的工业原料；某些具有特殊物理性质与化学成分的水具有医疗意义；研究地下水化学成分对寻找矿产资源，确定矿床或污染源位置具有重要意义。地下水化学成分对于用于各种地下水利用目的，水质评价都具有重要意义。饮用水水质评价工业用水水质评价农业用水水质评价工程建设项目用水水质评价三、地下水化学成分研究理论及特征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、分散的规律，地下水质演变的科学。研究特征：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,必须从水与环境长期相互作用的角度,去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。§2地下水的物理性质地下水的物理性质包括水温、颜色、透明度、味道、气味、比重、放射性、导电性。它在一定程度上反映了地下水的化学成分及其存在的环境条件。一、地下水的温度水温变化范围可达100℃以上。在寒带和多年积雪地带，浅层的地下水温可低达-5℃以下；在温带和亚热带的平原、丘陵区浅层地下水的年平均温度一般接近于当地年平均气温；在火山活动地区及地壳深处，地下水的温度很高，可超过100℃。如我国广东丰良地区在地下800m深处，打出了103.5℃的热水。地下水的温度主要受当地气温、地温变化的影响，尤其是地温。要研究地下水的温度，首先要研究地温的变化规律。地壳表层有两个热能来源:太阳的辐射；地球内部的热流。根据受热源影响的情况,地壳表层温度可分三带：变温带——受太阳辐射影响的地表极薄的温度变化带。常温带——变温带以下一个厚度极小的常温带增温带——常温带以下,地温受地球内热影响带处于受太阳辐射影响的地表极薄的带。由于太阳辐射能的周期变化,本带呈现地温的昼夜变化和季节变化。地温昼夜变化影响地表以下1-2m深。年变化影响深度一般为15-30m。①变温带特征：处于变温带以下一个厚度极小的地带。地温的年变化幅度＜0.1℃的地带。地温一般比当地年平均气温高出1一2℃，可将当地的多年平均气温作为常温带地温。③增温带：常温带以下,地温受地球内热影响，随深度加大而有规律地升高——增温带。深度每增加100m温度增加的值称地热增温率（地温梯度，单位：℃/100m），温度每增加一度深度增加的值称地热增温级。各地增温级不同，华北：33-43m；北方山区：50m；古老结晶岩区：1000m；近火山区：1m；一般山区：33m，由于变化不大，故地下水“冬暖夏凉”。②常温、增温带的特征：地下水的温度受其赋存与循环所处的地温控制：变温带中浅埋地下水显示微小的水温季节变化。常温带地下水温与当地年平均气温很接近。(地温年变化幅度小于0.1℃)增温带地下水随其赋存与循环深度的加大而提高,成为热水甚至蒸汽。利用年平均气温t、年常温带深度h、地温梯度r，可计算某一深度H的地下水水温T。T=t+(H-h)r同样，利用地下水水温，可以推算地下水的大致循环深度H（P54公式）。地下水温度的分类水温（℃）﹤00-2020-4242-100﹥100地下水类型过冷水冷水温水热水过热水地下水的温度对地下水的化学成分有很大影响。水温增高，化学反应速度和溶解度也增高。如水温增高10℃时，水分子的扩散速度约增加20％，化学反应速度增加2～3倍。一般盐类在水中的溶解度随温度的增高而增大。冷水适合于作冷却机器和空调降温的水源，而热水是廉价的能源，可用以取暖、发电和医疗。一般地下水都是无色、无味、无气味、透明、含盐量低的液体，当含有过量的某些离子成分或悬浮物和胶体物质时，就会出现各种颜色和气味。如：二、颜色、气味水中含有成分呈现色泽气味H2S翠绿色臭鸡蛋气味含低铁Fe2+浅绿灰色铁腥味含高铁Fe3+黄褐色或锈色铁腥味硫细菌红色锰的化合物暗红色腐植酸暗或黑黄色带荧光鱼腥味粘土无荧光的淡黄色悬浮物悬浮物本身的颜色“气味”的强弱与温度有关，鉴别气味时，一般将水加热至40℃，这时气味最为显著。低温时气味不易嗅别纯水是淡而无味的，水味来源于其中的盐分及气体：如地下水中含有重碳酸钙、重碳酸镁及碳酸时，水味便爽快、适口，人们称这种水为“甜水”如含氯化物会使水发咸味含硫酸钠、硫酸镁使水变苦，而且常引起饮用者呕吐、腹痛和腹泻含盐分过多时水味发涩H2S与碳酸气同时存在有酸味，有机质有甜味，但不适饮用。三、味道常见的地下水一般是透明的透明度取决于:固体与胶体悬浮物的含量。按透明度地下水分：三、透明度类型悬浮物及胶体3mm黑线可见深度透明的水无60cm水深微浊的水有少量＞30cm水深混浊的水有较多，半透明状＜30cm水深极混浊的水有大量，似乳状水深很小也看不见地下水竟呈现出黄色，里面的杂质清晰可见河南沈邱黄孟营村，所有的地下水都被污染了，导致了肿瘤的高发地下水的导电性取决于水中所含电解质的数量和性质，即取决于各种离子的含量和离子价，离子价越高，导电性越强。根据地下水的导电性，可以区分含水层和隔水层、矿水和淡水，也可根据导电性圈定富水地带，寻找断裂破碎带。则水的导电性就越强地下水的导电性为水源勘察时候用电测创造了条件。四、导电性地下水的比重近于1：取决于水中所含盐分的多少。当水中溶解了较多的盐分时，比重可达1.2～1.3。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。（U、Th、Ra、Rn）。地下水按放射性元素的含量（g/L）分为强放射性水、中等放射性水和弱放射性水。以镭为例：五、放射性弱中等强10-10g/L﹥10-9g/L§3地下水的化学特征主要内容主要气体成分主要离子成分其他成分总矿化度及化学成分表示式§1地下水中主要气体成分地下水中常见的气体成分：O2、N2、CO2、H2S、CH4、H2、碳氢化合物及少量的惰性气体（例如氡等）。通常情况下，地下水中气体含量只有mg/L。研究地下水中气体成分的意义：①气体成分—说明地下水所处的地球化学环境；②水中有些气体—会增加水溶解盐类的能力，促进某些化学反应。一、氧（O2）1、氧的溶解度溶解于水中的氧称为“溶解氧”，氧在水中溶解度较大，其溶解量与水的矿化度、埋藏条件、温度、大气压力、空气氧的分压力有关。矿化度升高，溶解量降低；埋藏深度增加，溶解量减少；温度升高，溶解量降低；大气压升高，溶解量增加。2、含量分布特征（1）地下水中溶解的O2含量，一般在0-15mg/l；（2）地下水中的O2随深度增加而减少；（3）缺氧环境各地深度不一，主要取决于地下水与大气的隔离度。3、氧的来源（1）地下水中的氧气和氮气主要来源于大气。它随大气降水及地表水补给地下水,故以入渗补给为主、与大气圈关系密切的地下水中含02、N2较多（2）水生植物光合作用释放氧，光合作用把CO2转变为O2：（3）放射性作用使水或水中有机物质分解而释出氧。4、氧的水文地球化学作用（1）O2决定地下水的氧化还原状态，溶解氧含量愈多,说明地下水所处的地球化学环境（氧化环境）愈有利于氧化作用进行。从而影响水中元素的迁移。如在含氧多的地下水中，Fe形成高价化合物而从水中沉淀；反之，地下水中含O2少，形成低价态化合物而易于在水中迁移。（2）对金属材料具有侵蚀作用。如自来水管的锈蚀。（3）影响水生动植物的生存。1、来源（1）主要来自大气，N2占大气的78%。（2）在封闭缺氧的地质构造，由于去硝化作用将NO3-和NO2-转为N2。2、分布特征（1）由于N2的化学性质不及氧活泼，它的分布随深度的减少，不及O2明显。（2）起源于大气降水的地下水，若地下水中(Ar+Kr+Xe)/N2比值为0.0118，则表明水中N起源于大气，若(Ar+Kr+Xe)/N2＜0.0118，则表明水中含生物起源或变质起源的N。（3）N2单独存在时，通常说明地下水起源于大气并处于还原环境。二、氮（N2）1、分布特征（1）一般地下水中含量很少，多在1mg/L以下。（2）在油田地下水及现代火山活动区地下水中，H2S含量较高，可达几百mg/L~几十g/L，H2S的存在说明地下水处于还原环境。2、来源（1）有机物来源：含硫蛋白质的分解，经常出现在生物残骸腐烂的地方。（2）无机来源：缺氧条件下，脱硫酸作用使硫酸盐还原分解而产生H2S；火山喷发气体的析出。3、与人体健康关系H2S＞2mg/L以上的地下水，称为H2S矿水，H2S矿水可治疗多种外伤及皮肤病。三、硫化氢（H2S）四、二氧化碳（CO2）1、基本概念A）游离CO2溶解于水中的CO2统称为游离CO2B）平衡CO2322HCOHOHCO与HCO3-相平衡的CO2，称为平衡CO2C）侵蚀性CO2232232CaHCOOHCOCaCO当水中“游离CO2”，大于“平衡CO2”时，多余部分的CO2对碳酸和金属构件等具有侵蚀性，这部分CO2，即为“侵蚀性CO2”2.来源：空气中的CO2。空气中的CO2按体积只占0.3%，可造成水中0.5mg/L的CO2地下水中的C02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中源源不断产生C02并溶入流经土壤的地下水中）。如在地下6米深的空气中含7%的CO2，比地面空气中的含量增加很多倍，从而土壤上CO2成为浅部地下水中CO2的主要来源。四、二氧化碳（CO2）2.来源：含碳酸盐类岩石,在深部高温下可变质生成C02。煤、石油、天然气燃料,使大气中产生的C02明显增加。幔源碳逸出地幔中含丰富的CO2和CH4等气体，它们可沿切穿地幔的大型断裂构造进入地壳浅部的地下水，其中CH4等碳氢化合物在上升过程中被氧化成CO2四、二氧化碳（CO2）270032400300COMgOMgCOCOCaOCaCOCC3、分布特征（1）一般地下水中游离CO2为15-40mg/L，很少超过150mg/L。（2）矿泉水中CO2含量很高，几百mg/L至几十g/L。如：江西寻乌温泉CO2=1193mg/L。（3）现代火山活动区，地下水中CO2=500-10000mg/L。4、碳酸水的利用（1）天然饮料矿泉水：水中CO2大于250mg/L。（2）碳酸泉：水中CO2大于750mg/L。（3）碳酸饮料具有良好