水文地质学-第5章地下水的化学成分及其形成作用

水文地质学第五章地下水的化学成分及其形成作用chd-qw第五章地下水化学成份及形成2第五章地下水的化学成分（chemistrycomposition）及其形成作用本章是水文地质学课程的重点之一，要求学生通过本章的学习：1.掌握地下水中主要化学成分及其与矿化度的关系；2.掌握地下水的化学成分有哪些形成作用；3.掌握不同水化学分类，重点是舒卡列夫分类。chd-qw第五章地下水化学成份及形成3§5.1概述一、地下水是一种良好的溶剂，是十分复杂的溶液solution水是良好的溶剂，这是水最突出的特性。地下水运移于岩石空隙中，由于水的这种特征，必然要和岩石发生相互作用，使岩石溶解，就此而言，水是一种良好的溶剂。盐分进入地下水中，因而自然界的水是非单纯的纯净水，而成为一种溶液。由于在地下径流的过程中，环境不断地发生变化，物理化学条件不断改变，所以这种溶液也在不断的发生变化，最终使地下水的化学成分变得非常复杂。chd-qw第五章地下水化学成份及形成4在地下水中，就其组分而言，有：有机物、无机物、气体、微生物和元素的同位素组分。就元素在水中的存在形式又有：单一离子、分子、复阴离子、化合物和络合物。就水溶液的类型，可以分为：真溶液、胶体溶液和悬浮液。所以说：地下水是一种复杂的溶液。§5.1概述chd-qw第五章地下水化学成份及形成5二、研究地下水化学成分的意义1.帮助阐明地下水的起源、形成和分布；2.完善成矿理论；3.找矿标志；4.宝贵的液体矿产和矿水；5.工农业及饮用水等都有水质要求。chd-qw第五章地下水化学成份及形成6三、水化学成分形成作用研究方法的指导思想以前学者们的研究偏重于分类，如阿廖金分类，舒卡列夫分类，及各种离子含量的比例。现在的研究趋势主要是从水岩体系来研究。水与岩石是相互作用的体系，我们把这归结为水文地球化学体系，在溶液与介质的化学场中，以热力学方法来研究溶液的平衡。chd-qw第五章地下水化学成份及形成71.地下水化学成分的形成是地质历史时期的产物，所以要从地质历史的角度去研究；2.水中的化学组分的存在是与地下水的起源紧密联系在一起的，不同起源，组分不同；3.组分在地下水中达到饱和的状态，要注意地下水的运动过程，运动使地下水不断更新，达到平衡而未达到饱和；4.要注意后期的变化－－吸附、混合，使其再一次发生变化。目前研究水化学成分时应注意的问题：chd-qw第五章地下水化学成份及形成8§5.2地下水的物理、化学性质(physicalcharacteristic)地下水的物理性质包括：水温temperature、颜色color、透明度transparence、味道taste、气味odor、比重、放射性、导电性electricconductivity等。chd-qw第五章地下水化学成份及形成95.2.1地下水的温度地壳表层有两个热能来源：一个是太阳的辐射，另一是来自地球内部的热流。根据受热源影响的情况，地壳表层可分为变温带、常温带及增温带。地下水的温度受其赋存与循环处所的地温控制。处于变温带中的浅埋地下水显示微小的水温季节变化。常温带的地下水水温与当地年平均气温很接近。增温带的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。chd-qw第五章地下水化学成份及形成10chd-qw第五章地下水化学成份及形成11chd-qw第五章地下水化学成份及形成125.2.2地下水的其它物理性质一般地下水都是无色、无味、无气味、透明、低盐量的液体。当地下水中含有某些化学成分时，其物理性质就发生了变化。如：含H2S→绿色→臭鸡蛋味Fe2+→淡红褐色→铁腥味Fe3+→淡蓝绿色→淡墨水味腐植质→暗黄色→鱼腥味H2CO3→甜味有机质→甜味（不适于饮用）NaCl→咸味Na2SO4→涩味MgCl2或MgSO4→苦味H2S+碳酸气→酸味chd-qw第五章地下水化学成份及形成135.2.2地下水的其它物理性质1.比重2.颜色3.透明度4.放射性chd-qw第五章地下水化学成份及形成14§5.3地下水的化学成分§5.3.1主要气体成分地下水中气体含量尽管很少，但对其研究：①可以帮助弄清地下水赋存的环境；②对其它组分的存在影响很大。地下水中的气体成分：空气来源N2O2CO2Ne(氖)Ar（氩）生物来源CH4CO2N2H2SH2O2化学来源CO2H2SH2CH4CON2HClHFSO2Cl2放射性和核反应来源的气体He(氦)Rn（氡）chd-qw第五章地下水化学成份及形成151.氧和氮①来源：主要来自大气，随大气降水和地表水的入渗一起进入地下；也有生物来源；对氮还有化学来源。②影响氧含量的因素：(1)淡水含量高。氧在水中的溶液度较大，在15℃、101324.62Pa（一个大气压）下，每升蒸馏水可溶解氧10.06mg（7.04cm3/l）。（2）矿化度大的水、氧含量少。对于矿化度大的水，其它离子成分含量很高，氧作为一种氧化剂，易于氧化其它成分而消耗，海水的溶液氧仅为淡水的80％。（3）地下水埋藏越浅，越容易获得大气中的氧，氧含量较大，否则则相反。（4）温度越高，溶解氧越少。chd-qw第五章地下水化学成份及形成16厌氧细菌anaerobicbacteriachd-qw第五章地下水化学成份及形成17一个大气压下，温度与氧含量的关系：温度℃氧含量mg/lcm3/l014.5610.191011.257.871510.067.04209.096.36chd-qw第五章地下水化学成份及形成18③反映的环境：地下水中氧的多少，表明了地下水所处的氧化还原的环境。O2较N2活泼的多，当处在封闭环境中或水源被有机物污染时，由于氧化作用，溶液氧很快被消耗，当得不到补充时，氧缺少；厌氧细菌繁殖并活跃起来，有机物质发生腐败作用，使水源产生臭气。现在在2000～3000m深的卤水中，发现有高浓度的氧（200cm3/l），可能是由于放射性元素的放射作用产生的。N2主要起源于大气，如水中N2单独存在（没有O2），说明O2已耗尽，体系处于较为封闭的还原环境，否则氧将得到补充。在封闭环境中，去硝化作用可将NO３-、NO２－分解并析出自由N2，其反应式为：2HNO3→2HNO2→2HNO→N2chd-qw第五章地下水化学成份及形成19④如何判断非大气来源的氮用氩、氪、氙与氮的比值确定大气中它们的比值恒定（Ar+Kr+Xe）/N2=0.0118＝0.0118大气来源＜0.0118Ｎ２多，有非大气来源＞0.0118一般Ａｒ（氩）多如果地下水中上述比值正好等于0.0118，说明氮无其它来源，仅大气起源。如果小于0.0118，因Ar、Kr、Xe均为惰性气体，不会与其它物质化合而减少，所以小于0.0118时，说明N2含量比大气来源的多，多余的N2则为非大气来源。如果比值大于0.0118则可能是含放射性同位素，Kr40较多，因为Kr40衰变后可变成Ar（氩），增大Ar的含量，比值增大。chd-qw第五章地下水化学成份及形成202.H2S水中的H2S气体具有臭鸡蛋味。①来源：主要来自硫酸盐的还原，另外可来自火山喷发气体的析出。还原时：SO4２-+２Ｃ+2Ｈ２Ｏ→Ｈ２Ｓ+２ＨＣＯ３-chd-qw第五章地下水化学成份及形成21②环境：H2S的生成说明是在缺氧环境下，因为O2较S活泼，大量氧存在，硫将失去电子而被氧化，而在无氧时，硫才成为氧化剂，得到电子被还原。另外，必须在脱硫细菌的作用下，并且有有机质的存在。H2S一般出现在封闭的地质构造中，H2S的大量出现，说明地下水循环不畅，补给量受到限制，一般地下水（浅层）基本不含H2S。H2S含量大于2mg/l的地下水为H2S矿水，洗浴可治疗皮肤病，在深层水中，特别是在油田水中，H2S含量可以很高，保加利亚一油田地下水中H2S含量高达10g/l。chd-qw第五章地下水化学成份及形成223.CO2carbondioxide：①来源：a.浅部有机物的氧化、分解；b.深部高温条件下CaCo3的分解；（400℃）CaCo3←－→CaO+CO2↑c.大气空气中CO2按体积只占0.03％，这样的分压仅相当于1升蒸馏水中溶解0.5mg的CO2。但天然地下水中CO2含量常较高，有两方面可能的原因：一是CO2气体较重，愈向下分压愈大，有人测得在地下6m深处空气中CO2含量达7％；另一方面的原因是包气带的生物作用。由于现代工业的发展，空气中CO2显著增加，补给地下水的CO2增大。chd-qw第五章地下水化学成份及形成23②含量：一般地下水CO2含量小于40mg/l，最大时也不超过150mg/l。但CO2含量有时很高，我国江西省浔邬县横迳温泉含CO2725mg/l，冷泉含CO21263mg/l。（2005年数据）黑龙江省乌尼阿尔山矿泉含CO22190mg/l。前苏联高加索矿水中1300m深处，CO2含量达40g/l。chd-qw第五章地下水化学成份及形成24CO2含量随温度增高而降低，在一个大气压力下：温度mg/lml/l0℃3343171310℃2316119420℃168987830℃66540℃53050℃43660℃339chd-qw第五章地下水化学成份及形成25③作用：我国医疗矿水标准规定CO2含量500mg/l以上为碳酸矿水，碳酸矿水无色透明稍有辣味，饮用清凉舒适解渴，可作饮料矿水。水中CO2含量增多，产生侵蚀性CO2，加剧对砼、钢材的侵蚀。chd-qw第五章地下水化学成份及形成26§5.3.2地下水中主要离子ions成分地下水中以离子形态存在的成分很多。天然水中普遍存在，且含量较大的通常有七种。chd-qw第五章地下水化学成份及形成271.Cｌ-negativechlorideion氯在地壳中仅为0.017％，但在地下水中广泛分布，且有时含量很高，为什么？①Cl在元素周期表中是第七主族第三周期。决定了它不容易形成难溶矿物，即一般氯盐溶解度都比较高。②除热带潮湿地区的红壤因表面有特异的电化学性质外，一般土粒表面很难将这样一种离子半径大，表面电荷多的离子吸附到其表面，即氯离子不容易被土粒表面吸收。③氯离子不能被生物所积累，一般不被植物或细菌吸收，即使吸收，不被积累，排放仍在水中。由于上述三个原因，因而决定了氯离子在水中含量可以很高，又因为它不易被吸附，不易沉淀，可以随水流的流动而蔓延，具有很强的迁移能力，因而决定了它在水中分布广泛。chd-qw第五章地下水化学成份及形成28①含量：数毫克/升～数百克/升在低矿化度水中含量很低，高矿化度水含量很高。地下水中Cl-常与Na+伴生，如果两者摩尔浓度相近，说明是溶解NaCl而来，如果Cl-＜Na+，说明Na+有其它来源，一般高矿化度水中［Cl-］＞［Na+］这是因为MgCl2、CaCl2溶解度更高。chd-qw第五章地下水化学成份及形成29②来源：A．NaCl与其它Cl-的化合物的溶解；B．含Cl-的矿物如方钠石、氯磷灰石的溶解；C．沿海地区海水飞沫，海水入浸；D．火山喷发物中，Cl2含量较多，到大气中，随大气水入渗；E．西北干旱地区地表常结了一层盐皮，随降水溶解带入地下；F．工业污染、排放废水；G．动物体中排出。chd-qw第五章地下水化学成份及形成302.SO42-Sulfate①来源：A.硫酸盐矿物的溶解；B.含硫金属矿物的氧化；C．火山喷发及人类的大气污染，SO2氧化成SO42-；D．生活和工业废水，及H2S的氧化。42PbSOO2)(方铅矿PbS44224)(FeSOCuSOOCuFeS黄铜矿chd-qw第五章地下水化学成份及形成31②含量：变化在数mg/l到数十g/l因为SO常与Ca2+伴生，CaSO4溶解度相对较小。③SO42-最高含量较Cｌ-低的原因a.硫酸盐类溶解度较氯化物低；b.硫是蛋白质和很多其他有机物的组成部分，植物可以消化SO42-形成的硫，会被生物捕获；c.一般不被吸附，但天然水中Ca的存在抑制了SO42-的增大。d.环境不同，SO42-～H2S可以转化。chd-qw第五章地下水化学成份及形成323.HCO-3Bicarbonate①来源:A.碳酸盐溶解；B.CO2溶解。②含量：一