3章地下水的物理性质及化学成分_冶金矿山地质_工程

2气象干旱综合指数CI以标准化降水指数、相对湿润指数和降水量为基础建立的一种综合指数。《气象干旱等级》国家标准中将干旱划分为五个等级，并评定了不同等级的干旱对农业和生态环境的影响程度：1.无旱：正常或湿涝，特点为降水正常或较常年偏多，地表湿润；2.轻旱：特点为降水较常年偏少，地表空气干燥，土壤出现水分轻度不足，对农作物有轻微影响；3.中旱：特点为降水持续较常年偏少，土壤表面干燥，土壤出现水分不足，地表植物叶片白天有萎蔫现象，对农作物和生态环境造成一定影响；4.重旱：特点为土壤出现水分持续严重不足，土壤出现较厚的干土层，植物萎蔫、叶片干枯，果实脱落，对农作物和生态环境造成较严重影响，对工业生产、人畜饮水产生一定影响；5.特旱：特点为土壤出现水分长时间严重不足，地表植物干枯、死亡，对农作物和生态环境造成严重影响，工业生产、人畜饮水产生较大影响。《气象干旱等级》国家标准规范全国通用，具有空间和时间可比性，能较为客观地描述干旱的发生、发展、持续、解除等过程，以及干旱发生程度和范围的等级标准的干旱监测指标。3美丽的彩云之南4截至3月26日18时，全国耕地受旱面积1.14亿亩(多年同期均值1.04亿亩)，其中作物受旱8829万亩(重旱2849万亩、干枯1515万亩)，待播耕地缺水缺墒2526万亩；有2372万人、1555万头大牲畜因旱饮水困难(多年同期均值1144万人、893万头)。5中国兴农网报道：初春的元阳一派繁忙。当地的哈尼族人开始翻田育秧，备耕生产。虽然遭受着旱情的困扰，但元阳的大片梯田因独特的地质条件以及长期坚持退耕还林，形成了“人栽树，树涵养水分，水浇田”这一良性循环的生态系统，从而使得这里的春耕用水得到了很好的保证。6第三章地下水的物理性质及化学成分7本章内容3.1地下水的物理性质3.2地下水的化学成分3.3地下水化学成分的形成3.4总矿化度与地下水化学成分分类8温度透明度颜色嗅味口味放射性等3.1地下水的物理性质9（1）温度地温梯度（℃/100m）:一般把在常温层以下，每向下加深100ｍ所升高的温度称为地热增温级或地温梯度。过冷水冷水温水热水过热水（2）透明度取决于水中固体矿物质、有机物和胶体悬浮物的含量。透明的微浊的混浊的极浊的（3）颜色（4）气味（5）口味（6）放射性103.2地下水的化学成分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。化学性质：气体成分、离子成分、胶体物质、有机质等。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。不同的用水目的在利用地下水时，对水的质量有一定要求（如：饮用水、锅炉用水、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11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地下水中主要离子成分地下水中的八大离子阴离子：Cl-、HCO-3、SO2-4、CO2-3阳离子：K+、Na+、Ca2+、Mg2+123.2.1气体成分地下水中常见的气体成分（1）氧（oxygen,O2）、氮（nitrogen,N2）起源：大气圈中的氧气和氮气随降水入渗进入含水层中溶解氧含量愈多，说明地下水所处的地球化学环境愈有利于氧化作用的进行。——说明地下水是大气起源的，氮还有生物起源与变质起源环境：若地下水中氮气单独存在，通常可说明地下水起源于大气并处于还原环境。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环境13（2）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14（3）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，也可变质生成CO2CaCO3——CaO+CO2地下水中含CO2愈多，其溶解碳酸盐岩与结晶岩进行风化作用人类活动：在化石燃料（煤、石油、天然气），导致大气中的CO2增加，（增长20%）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愈强！15地下水中气体成分的意义：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16（1）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：Anion阴离子：HCO-3、SO2-4、Cl-Cation阳离子：Ca2+、Mg2+、K+、Na+3.2.2主要离子成分17（2）地下水中主要离子成分来源一般情况下：低矿化度水中常以HCO3-及Ca2+、Mg2+为主；高矿化度水则以Cl-及Na+为主；中等矿化度的地下水中，阴离子常以SO42-为主。主要阴离子可以是Na+，也可以是Ca2+。18这与主要离子构成的盐类溶解度有关：碳酸盐类硫酸盐类氯化物常见离子在水中的相对含量与地下水中的总固体溶解物（TDS）——或矿化度有关：矿化度：指水中溶解组分的总量，包括溶解于地下水中各种离子、分子、化合物的总量，但不包括悬浮物和溶解气体。矿化度以“克/升”表示。矿化度(g/L):低(1)中(1-10)高(10-30)阴离子:HCO-3SO2-4Cl-阳离子:Ca2+Ca2+,Mg2+Na+,K+19氯离子（Cl-）氯离子在地下水中广泛分布，主要来源有：（1）沉积岩中所含岩盐或其他氯化物的溶解；（2）岩浆岩中含氯矿物的风化溶解；（3）海水。硫酸根离子（SO42-）主要来源有：（1）含石膏（CaSO4·2H2O）或其他硫酸盐的沉积岩的溶解；（2）煤系地层的黄铁矿；（3）酸雨20重碳酸根离子（HCO3-）重碳酸根离子的主要来源有：（1）含碳酸盐的沉积岩与变质岩（大理岩）；（2）岩浆岩与变质岩地区，HCO3-主要来自铝硅酸盐矿物的风化溶解。钠离子（Na+）、钾离子（K+）钠离子与钾离子在低矿化度水中的含量一般很低。主要来源有：（1）沉积岩中岩盐及其他钠盐、钾盐的溶解；（2）岩浆岩与变质岩地区，来自含钠、钾矿物的风化溶解；（3）海水21钙离子（Ca2+）、镁离子（Mg2+）钙是低矿化度地下水中的主要阳离子，镁离子在地下水中的分布与钙相似。主要来源有：（1）含碳酸盐的沉积物及含石膏沉积物的溶解；（2）岩浆岩与变质岩地区，Ca2+、Mg2+主要来自含钙、镁矿物矿物的风化溶解。++++++++++Cl-++++++++SO42-+++++++HCO3-水中阴离子在地下水水流过程的（分布）变化233.2.3地下水中的其他成分地下水次要离子:如H+、Fe2+、Fe3+、Mn2+、NH4+、OH—、NO2—、NO3—、CO32—、SiO32—及PO42—等。地下水中的微量组分:有Br、I、F、B、Sr等。地下水中以未离解的化合物构成的胶体：主要有Fe(OH)3、Al(OH)3及H2SiO3等，有时可占到相当比例。有机质也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。地下水中还存在各种微生物。例如，在氧化环境中存在硫细菌、铁细菌等；在还原环境中存在脱硫酸细菌等；此外，在污染水中，还有各种致病细菌。243.3地下水化学成分的形成矿化作用：溶滤作用—水岩相互作用时发生浓缩作用—蒸发排泄时发生脱碳酸作用—在温度与压力发生变化时发生脱硫酸作用—在还原环境下发生：SO42-→H2S↑阴离子交替吸附作用—岩土表面吸附的阳离子与水中阳离子发生交换混合作用—2种不同类型地下水混合时发生人类活动的作用——影响越来越大253.3.1溶滤作用（1）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↑。CaCO3+H2O+CO2→2HCO-3+Ca2+(固)(水)(气)26（2）溶滤作用的影响因素岩土--•化学组分（如：石灰岩HCO3-Ca水、花岗岩HCO3-Na水)•组分的可溶性（溶解度、溶解速度）盐分溶解度的差异导致易溶成分先进入水中，难溶成分后进入水中水---•水的溶解能力（TDS，O2、CO2气体组分）•水的流动性a.水中已溶组分的多少—水中盐分含量增高，溶解能力降低b.水中某些气体组分--O2—增加硫化物的…，CO2—增加碳酸盐类...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，不断有新的盐分溶解到水中，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？是否会？27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）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。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？28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，岩土贫Cl盐继续作用，较易溶SO42-盐类被溶入中→随水带走，贫SO42-盐类持续（岩土中）只剩较难溶的碳酸盐类。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（角度）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—溶解的组分会被带去（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293.3.2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，而引起的一系列地下水化学成分的变化过程。浓缩作用（过程）——理想的蒸发浓缩模式水分失去过程→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浓缩作用的结果：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—与蒸发排泄的影响因素相同(气候-地下水位-土层岩性)30浓缩作用（过程）理想模式0.5L水1.0L水0.25L水31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）。32三、脱碳酸作用（钟乳石、石笋、泉华）Ca2+(Mg2+)+2HCO3-→CO2↑+H2O+CaCO3↓结果：Ca2+↓Mg2+↓HCO3-↓矿化度↓pH↓（略有变化）四、脱硫酸作用(还原环境中脱硫酸细菌使SO42-还原为H2S）SO42-+2C+2H2O→H2S↑+2HCO-3结果：SO42-↓；HCO3-↑，pH↑；寻找油田的辅助标志。五、阳离子吸附交替作用某种阳离子↓，某另一种阳离子增高↑六、混合作用—七、