第七章 地下水的化学组分

第七章地下水的化学组分及其演变7．1概述7．2地下水的化学特征7．3地下水的温度7．4地下水化学成分的形成作用7．5地下水化学成分的基本成因类型7．6地下水化学成分的分析内容与分类图示7．1概述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。发生化学反应岩石圈水圈交换化学成分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；因此，不能从纯化学角度，孤立、静止的研究地下水的化学成分及其形成，而必须从水与环境长期相互作用的角度出发，去揭示地下水化学演变的内在依据与规律。7．1概述7．2地下水的化学特征地下水中含有各种气体、离子、胶体物质、有机质以及微生物等。1．地下水中主要气体成分O2、N2、CO2、CH4、H2S等。尤其以前三种为主。气体含量的意义？[1]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。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）CO2CO2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。溶解性总固体：溶解性总固体是指溶解在水中的无机盐和有机物的总称(不包括悬浮和溶解气体等非固体组分)，用缩略词TDS表示。ml/L或g/L总矿化度（总溶解固体）––––地下水中所含各种离子、分子与化合物的总量称为总矿化度（总溶解固体）。单位：g/L。矿化度M––––degreeofmineralization；总溶解固体TDS––––totaldissolvedsolid。现已开用采用溶解总固体代替总矿化度。按溶解性总固体含量(g/L)，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；2．地下水中主要离子成分测定：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矿化度（M）；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。总硬度––––水中所含钙离子和镁离子的总量。2．地下水中主要离子成分7大离子：Cl、SO42、HCO3、Na、K、Ca2、Mg2。[2]低矿化水中（M12g/L）：HCO3、Ca2+、Mg2+为主（难溶物质为主）；中矿化水中（M=25g/L）：SO42、Na+、Ca2+为主；高矿化水中（M5g/L）：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：[3]碳酸盐溶解度矿化度小低HCO3-SO42-Cl-大高硫酸盐氯盐１）Cl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。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矿化程度。2）SO42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）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。３）HCO3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。４）Na+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。５）K+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。６）Ca2+是低矿化水中的主要阳离子。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。７）Mg2+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。部分原因是由于地壳组成中Mg2+比Ca2+少；碱性岩浆岩中的地下水，含Mg2+较高。地下水中各种离子的测定方法，参阅《水质分析》的有关书籍。地下水中的同位素组成地下水中存在多种同位素，最有意义的是氢(1H、2H、3H)，氧(16O、17O、18O)，碳(12C、13C、14C).。氘(2H或D)及氧-18(18O)是常见氢氧稳定同位素，由于质量不同，在转化时发生分馏。例如，蒸发时重同位素(2H、18O)不易逸出，在液态水中相对富集；凝结时液态水中也富集重同位素。因此，降水中氢氧重同位素丰度的分布存在多种效应。氚(3H)及碳-14(14C)是常见的放射性同位素，可以测定地下水平均贮留时间(年龄)，测年范围分别为50-60万及5万-6万年。4．地下水中的其他成分除主要离子（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。7．3地下水的温度1)太阳辐射；2)地球内部的热流。地壳表层有2个热源地壳表层可分为3个带：1）变温带：受太阳辐射影响，地温随昼夜与季节变化；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。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。地壳表层可分为3个带：变温带增温带常温带两个公式：①利用地温梯度（），概略计算某一深度的地下水水温（T）：T=t+(Ｈ－h)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7．4地下水化学成分的形成作用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。1．溶滤作用溶滤作用––––在水与岩土相互作用下，岩土中一部分物质转入地下水中。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。影响溶滤作用的因素：[4]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）水的矿化度：低矿化水溶解能力强，而高矿化水溶解能力弱。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。那么，是否溶滤作用愈强烈，地下水中的化学组分含量就愈多呢？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。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。氯化物(转入水中)硫酸盐被水带走被水带走主要化学组分主要化学组分(难溶)碳酸盐及硅酸盐随着溶滤作用的进行：２．浓缩作用主要发生在干旱半干旱地区的平原与盆地的低洼处。当地下水位埋藏较浅时，蒸发强烈，蒸发成为地下水的主要排泄去路。随着时间的增加，地下水溶液逐渐浓缩，M增大。随着矿化度的上升，溶解度较小的盐类在水中相继达到饱和而沉淀析出，易溶盐类（如NaCl）的离子逐渐成为水中主要成分。产生浓缩作用的条件：[5]1.气候：干旱半干旱；2.地势：低平；3.地下水位：埋藏浅；排泄区（从别处带来的盐分在排泄区集聚）。1）水分排走；2）盐分保留下来。蒸发作用→３．脱碳酸作用CO2的溶解度随温度升高或压力降低而减小，一部分CO2便成为游离CO2从水中逸出，这便是––––脱碳酸作用。Ca2+2HCO3→CO2↑+H2O+CaCO3↓Mg2+2HCO3→CO2↑+H2O+MgCO3↓结果：①地下水中HCO3、Ca2、Mg2减少；②矿化度降低。泉口的钙华现象即脱碳酸作用。４．脱硫酸作用在还原环境中，当有有机质存在时，脱硫酸细菌使SO42还原为H2S––––脱硫酸作用。SO42+2C+2H2O→H2S+2HCO3结果：①水中SO42减少以至消失；②HCO3增加，pH值变大。如：封闭的地质构造是产生脱硫酸作用的有利环境。５．阳离子交替吸附作用岩土颗粒表面带有负电荷，能够吸附阳离子。一定条件下，颗粒将吸附地下水中某些阳离子，而将其原来吸附的部分阳离子转为地下水中的组分，这便是–––––阳离子交替吸附作用。（离子在岩土与水之间交替）不同阳离子吸附能力的大小：HFe3Al3+Ca2Mg2KNa①离子价愈高，离子半径愈大，则吸附能力也愈大，H例外；②地下水中某种离子的相对浓度愈大，交替吸附作用也就愈强；③颗粒愈细，比表面积愈大，交替吸附作用也就愈强；④粘土及粘土岩类最容易发生交替吸附作用。６．混合作用混合作用––––成分不同的两种水汇合在一起，形成化学成分与原来两者都不相同的地下水这便是混合作用。混合作用：①可能发生化学反应→形成化学类型完全不同的地下水；②不发生明显的化学反应→取决于参与混合的两种水的化学成分。７．人类活动在地下水化学成分形成中的作用1.污染地下水：工业三废：废气、废水、废渣，以及农业上大量使用的化肥、农药等，使地下水中含有原来含量很低的有害元素。1.改变地下水的形成条件，水质