第三章-地下水中的无机化学成分

LOGOHydrogeochemistry水文地球化学东华理工大学水文地球化学课程组第三章地下水中的无机化学成分CompanyLogo地下水中的无机化学成分分类地下水中的无机化学成分，按其存在形式和数量可分为四组：（1）大量组分决定水化学类型，一般含量大于100mg/L，主要是常规的离子形式，Cl-、SO42-、HCO3-、CO32-、Na+、K+、Ca2+、Mg2+等。另外H+、NH4+、NO2-、NO3-、H3SiO4、Fe3+、Fe2+等也列入大量组分。概述CompanyLogo地下水中的无机化学成分分类（2）微量组分不决定水化学类型，常见的是Br、I、F、B、Mo、Li、Cu、Pb、Zn、P、As、Sr、Ba、Ni、Co等数。（3）放射性组分U、Th、Ra、Rn等。（4）气体组分N2、O2、CO2、CH4、H2S、H2等。概述CompanyLogo一、氯离子（Cl-）1、迁移性能Cl-具有很强的迁移性能，其原因有三个方面：（1）不形成难溶化合物（2）不被胶体所吸附（3）不被生物所吸附2、分布规律地下水中的Cl-含量随地下水矿化度的增高而增高。在高矿化度水中，占阴离子首位，形成氯化物水。3、来源（1）有机来源（2）无机来源（3）大气降水来源3.1地下水中的大量组分CompanyLogo地下水中的大量组分二、硫酸根（SO42-）1、迁移性能迁移性能较强，仅次于Cl-，其迁移性能受下列四个因素控制：（1）水中SO42-易与Ca2+、Ba2+、Sr2+等离子形成难溶盐。（2）热带潮湿地区土壤中的Fe(OH)2-、Al(OH)22+胶体可以吸附SO42-。（3）易被生物吸收，硫是蛋白质的组成部分。CompanyLogo地下水中的大量组分二、硫酸根（SO42-）（4）脱硫酸作用：在缺氧、有脱硫酸菌存在的情况下，SO42-被还原成H2S等的过程。2、分布规律（1）SO42-含量随地下水矿化度增高而增加，但增加速度明显落后于Cl-。在中等矿化度水中，常成为含量最多的阴离子。（2）在某些特殊情况下，地下水中含量可达到很高，例如硫化矿氧化带中的矿坑水，石膏层地下水。SHHCOOHCSO22243222脱硫酸细菌（有机质）CompanyLogo地下水中的大量组分二、硫酸根（SO42-）3、来源（1）石膏、硬石膏及含硫酸盐的沉积物（2）硫化物及天然硫的氧化（3）火山喷发物中硫的氧化（4）大气降水中的SO42-（5）有机物的分解（6）生活、工业、农业废水CompanyLogo地下水中的大量组分三、HCO3-和CO32-1、碳酸平衡及其与pH值的关系地下水中的碳酸以三种化合物形态存在：（1）游离碳酸，它以溶解的CO2（aq）或H2CO3(aq）形态存在，习惯上记为“H2CO3”;（2）重碳酸根，即HCO3-;（3）碳酸根，即CO32-。CompanyLogo地下水中的大量组分三、HCO3-和CO32-这些组分之间的平衡关系式如下：)()(3222aqCOHOHgCO5.132110/2COPCOHK332HCOHCOH4.6323210/COHHCOHK233COHHCO3.10323310/HCOCOHKCompanyLogo地下水中的大量组分三、HCO3-和CO32-1、碳酸平衡及其与pH值的关系溶于水中总无机碳：)()(3222aqCOHOHgCO5.132110/2COPCOHK332HCOHCOH4.6323210/COHHCOHK233COHHCO3.10323310/HCOCOHK233322DICCOHCOCOHCOCompanyLogo地下水中的大量组分三、HCO3-和CO32-1、碳酸平衡及其与pH值的关系可以推出pH值与各碳酸组分之间的关系：由这两个关系可求出CO2溶于水后各溶解类型占优势的pH值范围，在25℃，1atm条件下：pH＜6.4，占优势；6.4pH10.3，占优势；pH＞10.3，占优势。4.6/log323COHHCOpH3.10/log323HCOCOpH32COH3HCO23COCompanyLogo地下水中的大量组分三、HCO3-和CO32-1、碳酸平衡及其与pH值的关系可以推出pH值与各碳酸组分之间的关系：图3-1三种碳酸随pH值的变化曲线CO32-H2CO3HCO3－6.48.3410.3pH0050100CompanyLogo地下水中的大量组分三、HCO3-和CO32-1、碳酸平衡及其与pH值的关利用下面三个方程，可得到、和所占总碳酸DIC的百分数：233323.1032334.6323210/10/COHCOCOHDICHCOCOHKCOHHCOHK32COH3HCO23COCompanyLogo地下水中的大量组分三、HCO3-和CO32-1、碳酸平衡及其与pH值的关系可以推出pH值与各碳酸组分之间的关系：因此，只要测定水溶液中的DIC和pH值，便可以求出三种碳酸组分的百分数及含量。100//1/100//1/100//1/133222331323212322321KHKKHDICCOaHKKHDICHCOaHKKHKDICCOHaCompanyLogo地下水中的大量组分三、HCO3-和CO32-2、分布规律在低矿化度水中主导地位，在阴离子中占首位。在某些含的水中，含量可达1000mg/L以上，强碱、强酸水中，极少见。天然水中含量一般很低，但在苏打水中可达到很高。（1）影响－迁移的因素①的存在，制约着水中和含量，因为易产生沉淀。②脱碳酸作用：3HCO2CO3HCO23CO3HCO23CO2Ca3HCO23CO3CaCOOHCOCaCOHCOCa22332CompanyLogo地下水中的大量组分三、HCO3-和CO32-2、分布规律（2）来源①大气中的溶解；②各种碳酸盐类及胶结物的溶解和溶滤；③非碳酸盐的火成岩的生物风化作用（生物成因）；2CO2CO322233222322HCOMgOHCOMgCOHCOCaOHCOCaCO26222322161624222SiOOSiAlHHCONaOHCOOSiNaAlCompanyLogo地下水中的大量组分三、HCO3-和CO32-2、分布规律（2）来源④深成的加入：从上述的、来源的讨论可知，其起源与密不可分，往往一半来自，一半来自碳酸盐。2CO2CO3HCO23CO2CO2COCompanyLogo地下水中的大量组分四、硅酸―地下水中的SiO21、地下水中SiO2的存在形式（1）硅酸的形式在地下水中的硅酸有以下几种：H4SiO4（正硅酸），H2SiO3（偏硅酸），H2Si2O5（二偏硅酸），H6Si2O7（焦硅酸），H2SiO3因其形式简单，常以它代表水中的硅酸。（2）地下水中SiO2存在形式在大多数的地下水中，SiO2以不离解的H4SiO4形式存在，但在强碱性条件下，水中会出现H3SiO4-。CompanyLogo地下水中的大量组分四、硅酸―地下水中的SiO2（2）地下水中SiO2的存在形式表3-1水中硅酸衍生物的比例与pH值的关系衍生物的存在形式pH78910H4SiO4mol％99.998.687.741.5H3SiO4-0.11.412.358.5CompanyLogo地下水中的大量组分四、硅酸―地下水中的SiO2（2）地下水中SiO2的存在形式在强碱条件下，硅酸的盐是可溶的，但遇到酸（包括碳酸）时，很易析出正硅酸。在强碱性条件下（pH＞9），H4SiO4往往会发生聚合，形成硅胶溶液。44322424442444SiOHNaHCOOHCOSiONaSiOHNaClHClSiONaCompanyLogo地下水中的大量组分四、硅酸―地下水中的SiO2（2）地下水中SiO2的存在形式SiO2在地下水中的存在形式归纳为：①在一般的地下水中，SiO2以H4SiO4（单体硅酸）或硅酸钠钾盐的分子分散状态存在，硅胶出现极少;②在碱性地下水中，SiO2部分以H4SiO4形式存在，部分以H3SiO4-形式存在，部分以硅胶形式存在;CompanyLogo地下水中的大量组分四、硅酸―地下水中的SiO22、地下水中SiO2的沉淀条件（1）与含电解质的水溶液相遇，可使硅酸凝结成含水蛋白石而析出。如Ca2+的加入，会导致SiO2的沉淀;（2）酸碱条件的变化：一般碱性介质有利于SiO2的溶解、酸性介质不利于SiO2迁移，当碱性介质流经酸性环境时，则会沉淀SiO2。例如：硅化木形成即可能与此有关。树木腐烂分解，产生有机酸，产生酸性环境，引起水中SiO2的沉淀。CompanyLogo地下水中的大量组分四、硅酸―地下水中的SiO2（3）水温的变化：温度增高，有利于SiO2在水中的溶解，反之则会导致SiO2的沉淀;（4）生物化学作用：硅是很多生命物质的食物，水中SiO2由于细菌参与的生物化学作用，在生物圈往往会大量沉淀下来。如硅藻的作用。CompanyLogo地下水中的大量组分四、硅酸―地下水中的SiO23、地下水中SiO2的含量地下水中SiO2的平均含量为17mg/L，不同类型地下水中，SiO2的含量大致如下：（1）微矿化硅酸、硅酸-重碳酸型潜水中的SiO2SiO2含量一般为5-25mg/L。常占阴离子首位，形成硅酸型水，或硅酸-重碳酸型水。（2）低矿化度潜水和浅层承压水中的SiO2SiO2含量为10-40mg/L，水型为HCO3-型水。CompanyLogo地下水中的大量组分四、硅酸―地下水中的SiO23、地下水中SiO2的含量（3）弱矿化碱性硅质热水中的SiO2SiO2含量一般大于40mg/L，以60-100mg/L者居多，硅酸在水中占矿化度的20-40%。庐山温泉，水温72℃，pH=8.5，SiO2=80mg/L。（4）现代火山和岩浆活动区硅质热水中的SiO2SiO2含量很高，常达几百mg/L；西藏羊八井15区水温85℃的水中，SiO2=