地下水的化学组分及其演变.

第七章地下水的化学组分及其演变1概述2地下水化学特征3地下水中的微生物4地下水的温度5地下水化学组分形成作用6地下水基本成因类型及其化学特征7地下水化学式成分分析及其图示§7地下水的化学组分及其演变第一节.概述§7地下水的化学组分及其演变•地下水不是化学纯的H2O，而是一种复杂的溶液。•天然：•人为：人类活动对地下水化学成分产生影响。•地下水的化学成分是地下水与环境、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。•水是最为常见的良好溶剂，可溶解、搬运岩土中的某些组分。水是地球中元素迁移富集的载体。•利用地下水，各种行业对水质都有一定的要求→进行水质评价。概述§7地下水的化学组分及其演变1）水量→地下水动力学2）水质→水文地球化学对地下水的研究→水文地质学的理论基础§7地下水的化学组分及其演变第二节.地下水化学特征§7地下水的化学组分及其演变•地下水中含有各种气体、离子、胶体、有机质以及微生物。•1．地下水中主要气体成分•O2、N2、CO2、CH4、H2S等。•1）O2、N2•地下水中的O2、N2主要来源于大气。地下水中的O2含量多→说明地下水处于氧化环境。在较封闭的环境中O2耗尽，只留下N2，通常说明地下水起源于大气，并处于还原环境。地下水化学特征§7地下水的化学组分及其演变•2）H2S、甲烷（CH4）•地下水中出现H2S、CH4，其意义恰好与出现O2相反，说明→处于还原的地球化学环境。•3）CO2•CO2主要来源于土壤。化石燃料（煤、石油、天然气）→CO2（温室气体）→温室效应→全球变暖。•地下水中含CO2愈多，其溶解碳酸盐岩的能力便愈强。§7地下水的化学组分及其演变•溶解性总固体(totaldissolvedsolids)：溶解性总固体是指溶解在水中的无机盐和有机物的总称(不包括悬浮物和溶解气体等非固体组分)，用缩略词TDS表示•测定：•①一般以105110C时将水蒸干所得的干涸残余物总量来表示溶解性总固体（TDS）•②将分析所得阴阳离子含量相加，相加时HCO3只取重量的一半，因为在蒸干时，有近一半的HCO3分解为CO2、H2O而逸失。•总矿化度：溶于水中的离子、分子与化合物的总和。2．地下水中主要离子成分§7地下水的化学组分及其演变•总硬度––––水中所含钙离子和镁离子的总量。•按照溶解性总固体含量，将地下水分类如下：•淡水1•微咸水13•咸水310•盐水1050•卤水50§7地下水的化学组分及其演变•7大离子：Cl、SO42、HCO3、Na、K、Ca2、Mg2。•低TDS水中：HCO3、Ca2+、Mg2+为主（难溶物质为主）；•中矿化水中：SO42、Na+、Ca2+为主；•高矿化水中：Cl、Na+为主（易溶物质为主）。•造成这种现象的主要原因是水中盐类溶解度的不同：§7地下水的化学组分及其演变•主要出现在高矿化水中，可达几g/L100g/L以上。•来源：•①来自沉积岩氯化物的溶解；•②来自岩浆岩中含氯矿物的风化溶解；•③来自海水；•④来自火山喷发物的溶滤；•⑤人为污染：工业、生活污水及粪便中含有大量Cl，因此居民点附近矿化度不高的地下水中，如Cl含量超过寻常，则说明很可能已受到污染。•１）Cl§7地下水的化学组分及其演变•特点：•①Cl不为植物及细菌所摄取，不被土粒表面所吸附，氯盐溶解度大，不易沉淀析出，是地下水中最稳定的离子；•②Cl含量随着矿化度增长而不断增加，Cl的含量常可用来说明地下水的化学演变的历程。§7地下水的化学组分及其演变•中等矿化的地下水中，SO42为主要阴离子。•来源：•①含石膏（CaSO4·2H2O）或其它硫酸盐的沉积岩的溶解；•②硫化物的氧化：•2FeS2+7O2+2H2O→2FeSO4+4H++2SO42•（黄铁矿）•2）SO42§7地下水的化学组分及其演变•注意：•①由于煤系地层（C–P）常含有很多黄铁矿（硫铁矿），因此流经这类地层的地下水往往以SO42为主；•②金属硫化物矿床附近的地下水中常含有大量的SO42；•③煤的燃烧产生大量SO2，与大气中的水汽结合形成含硫酸的降雨→酸雨，从而使地下水中SO42增加；•④在我国能源消耗中，煤占70%以上，我国每年向大气排放的SO2已达1800104t之多，因此，地下水中SO42的这一来源不容忽视。§7地下水的化学组分及其演变•低矿化水的主要阴离子。•来源：•①含碳酸盐的沉积盐（石灰岩、白云岩）与变质岩（大理盐）：•CaCO3+H2O+CO2→2HCO3+Ca2+•MgCO3+H2O+CO2→2HCO3+Mg2+•②岩浆岩与变质岩地区，HCO3主要来源于铝硅酸盐矿物的风化溶解。３）HCO3§7地下水的化学组分及其演变•高矿化水中的主要阳离子。•来源：•①沉积岩中岩盐及其它钠盐的溶解；•②海水；•③岩浆岩和变质岩地区含钠矿物的风化溶解；•④酸性岩浆岩中大量含钠矿物，在CO2、H2O的参与下，将形成低矿化的以Na+、HCO3为主的地下水。•４）Na+§7地下水的化学组分及其演变•高矿化水中含量较多。•来源与分布特点与Na+相近：•①含钾盐类沉积岩的溶解；•②岩浆岩、变质岩中含钾矿物的风化溶解。•在地壳中K与Na的含量相近，但在地下水中K+的含量比Na+少得多，这是因为•①K+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）；•②易为植物所摄取。•由于K+含量少，分析比较费事，所以一般将K+归并到Na+中，不另区分。•５）K+§7地下水的化学组分及其演变•是低矿化水中的主要阳离子。•高矿化水中，因阴离子主要为Cl-,而CaCl2的溶解度相当大，故Ca2+的绝对含量显著增大,但仍远低于Na+。矿化度格外高的水，钙也可成为主要离子。•来源：•①碳酸盐类沉积物及含石膏沉积物的溶解；•②岩浆岩、变质岩中含钙矿物的风化溶解。•６）Ca2+§7地下水的化学组分及其演变•来源及分布与Ca2+相近：•①含镁的碳酸盐类沉积岩（白云盐、泥灰盐）；•②岩浆岩、变质岩中含镁矿物的风化溶解。•Mg2+在低矿化水中通常含量较Ca2+少。•地下水中各种离子的测定方法，参阅《水质分析》的有关书籍。•７）Mg2+§7地下水的化学组分及其演变•地下水中存在多种同位素，最有意义的是氢、氧、碳的同位素。•高度效应：指2H、18O等重同位素丰度随降水高程增高而降低的规律。•大陆效应：指重同位素丰度有随远离水汽来源的海洋而降低的趋势。•利用地下水中氚及碳-14的含量，可以测定地下水平均贮留时间（年龄）。•同位素方法在水文地质学研究中已经成为不可缺少的技术手段。•3．地下水中的同位素组分§7地下水的化学组分及其演变•除主要离子（七大离子）外，地下水中还有其他成分：•1）次要离子：H+、Fe2+、Fe3+、Mn2+、NH4+、OH、NO2、NO3、CO32、SiO32、PO43等；•2）微量组分（元素）：Br、I、F、B、Sr等；•3）胶体成分：Fe(OH)3、Al(OH)3、H2SiO3等；•4）有机体；•5）微生物：如氧化环境中存在：硫细菌、铁细菌；还原环境中存在：脱硫酸细菌；在污水中：各种致病细菌。•4.地下水中的其他成分§7地下水的化学组分及其演变第三节.地下水中的微生物§7地下水的化学组分及其演变•地下水中的微生物，主要有以下作用：①参与地下水化学形成作用，改变地下水组分；②生物修复地下水污染；③改变含水介质特性；④参与成岩作用；⑤参与成矿作用(陈骏等，2004；李政红等，2007)。•微生物是氧化—还原作用的触媒。许多地下水化学形成作用是生物地球化学过程，都有微生物的参与。•例如，脱硫酸作用：•SO42+2C+2H2O——H2S+2HCO3§7地下水的化学组分及其演变•污染地下水的生物修复，是最有潜力的污染修复方式。•1、作为触媒使有机污染物氧化为二氧化碳而降解。2、能够吸附重金属离子，通过触媒作用还原或氧化金属和准金属而改变其活动性。•可溶岩喀斯特化一直被认为是化学作用的结果，现在发现，存在多种微生物的生物化学作用，影响碳酸盐的溶解与沉淀。§7地下水的化学组分及其演变•微生物在成矿中发挥重要作用。•1、带负电荷的微生物细胞表面能键和金属离子，被键合的金属离子与阴离子反应，形成盐类沉淀。2、微生物代谢有机物形成有利于矿床堆积的物理化学环境。•微生物几乎参与了所有的地质过程，原先认为是无机的地质作用，其实都是有机的(陈骏等，2006；汪晶先，2003)，地质微生物学作为一门交叉学科正存蓬勃兴起，对于解决水文地质学面对的理论及实际问题，有着难以估量的意义，水文地质工作者需要扩展视野，参与地质微生物的探索与发展。§7地下水的化学组分及其演变第四节.地下水的温度§7地下水的化学组分及其演变•地壳表层可分为3个带：•1）变温带：受太阳辐射影响，地温随昼夜与季节变化；15-30m•2）常温带：地温接近常数，一般比当地年平均气温高１~2℃；•3）增温带：受地球内部热流的影响，随深度加大地温升高。•地温梯度（）––––是指每增加单位深度时，地温的增值。•单位：℃/100m。•地温梯度的平均值为3℃/100m，一般1.5~4℃/100m。§7地下水的化学组分及其演变•地下水的温度受地温控制：•1）变温带地下水：水温有较小的季节性变化；•2）常温带地下水：水温与当地平均气温接近；•3）增温带地下水：随地温梯度的增加而增加，甚至成为热水。§7地下水的化学组分及其演变•两个公式：•①利用地温梯度（γ），概略计算某一深度的地下水水温（T）：•T=t+(Ｈ－h)γ•式中：t––––年平均气温；H––––地下水埋深；h––––常温带深度。②利用地下水温（T），推算其大致循环深度（H）：htTH§7地下水的化学组分及其演变第五节.地下水化学成分形成作用§7地下水的化学组分及其演变•地下水主要来源于大气降水，大气降水的矿化度一般为0.02~0.05g/L，进入含水层后，水与岩土作用，矿化度升高，化学成分发生变化。•地下水化学成分形成作用主要分为6种作用1种影响。1、溶滤作用2、浓缩作用3、脱碳酸作用4、脱硫酸作用5、阳离子交替吸附作用6、混合作用7、人类活动对地下水化学成分的影响§7地下水的化学组分及其演变•溶滤作用––––在水与岩土相互作用下，岩土中一部分物质转入地下水中。1．溶滤作用§7地下水的化学组分及其演变•盐类溶解与温度有关1．溶滤作用§7地下水的化学组分及其演变•溶滤作用的结果：岩土失去一部分可溶物质；•地下水则补充了新的组分。•PS：狭义的溶滤作用与溶解作用在内涵上的区别•溶滤作用：在不破坏晶体结晶格架情况下，部分组分进入地下水中的作用。如难溶的硅铝酸盐中的某些成分。•溶解作用：破坏了矿物的结晶格架，使矿物的全部成分进入地下水中。如氯化钠。1．溶滤作用§7地下水的化学组分及其演变•影响溶滤作用的因素：•1）岩土中矿物盐类的溶解度：•首先：NaCl迅速转入水中，SiO2很难溶于水中。•2）岩土的空隙：•空隙发育，溶滤作用强，否则弱。•3）水的溶解性总固体含量：•低矿化水溶解能力强，而高矿化水溶解能力弱。1．溶滤作用§7地下水的化学组分及其演变•4）水中CO2、O2等气体成分：•水中CO2含量愈高，溶解碳酸盐及硅酸盐的能力愈强。•水中O2含量愈高，溶解硫化物的能力愈强。•5）水的流动状况：•停滞的地下水，最终将失去溶解能力；•流动的地下水，经常保持强的溶解能力。•地下水的径流与交替强度是决定溶滤作用强度的最活跃、最关键的因素。§7地下水的化学组分及其演变•溶滤作用具有时间上的阶段性和空间上的差异性。•在时间上：•一个地区经受溶滤作用愈强烈，时间愈长，地下水的矿化度愈低，愈是以难溶离子为其主要成分。§7地下水的化学组分及其演变•在空间上：•气候愈是潮湿多雨，地质构造的开启性愈好，岩层的导水能力愈强，地形切割愈强烈，地下水的径流与交替愈迅速，地下水的矿化度愈低，难溶离子的相对含量也就愈高。§7地下水的化学组分及其演变•主要发生在干旱半干旱地区的平原与