地下水的化学成分及其形成作用(精)

第六章地下水的化学成分及其形成作用第一节概述地下水是天然溶液。地下水在参与自然界水循环过程中，与大气圈、水圈与生物圈同时发生着水量交换、化学成分的交换（—水质状况）。水是良好的溶剂，地下水在空隙中运移时，可以溶解岩石中的组分，使地下水的化学成分丰富多彩。地下水的物理性质：温度、颜色、嗅、味、密度、导电性与放射性地下水的化学性质：气体成分、离子成分、胶体物质、有机质等地下水的放射性、微生物成分等。第二节地下水的化学特征一、地下水中常见的气体成分主要有氧（）、氮（）、二氧化碳（）、硫化氢（）、甲烷（），常见的气体成分与地下水所处环境，地下水的来源有关。（1）氧（）、氮（）来源：在大气成分中、含量很高，随降水一起入渗进入地下含水层中。反过来，如果地下水中富含与——也说明地下水是大气起源。由于活跃，在地下水运动中易发生氧化作用而消耗，因此，大气起源的地下水中，也可能独立存在。此外，氮还有生物起源与变质起源。指示意义：含量高指示氧化环境；封闭环境下，氧被耗尽只剩下，则为大气起源封闭环境。（2）硫化氢（）、甲烷（）来源：这两种气体，都是在封闭环境下生成的。如是在有机物与微生物参与的生物化学过程中形成，还原环境下地下水中的→，在成煤过程中，在还原作用下产生，使煤田水富含。同理，甲烷（）是成油和油气藏形成过程的结果，油田水富含甲烷（）。指示意义：富含和的地下水，指示封闭的还原环境。（3）二氧化碳（）大气降水中的含量较低，地下水中主要来源：①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②碳酸盐岩地层的脱碳酸作用③深部高温下，变质作用生成④人类活动，在使用化石燃料（煤、石油、天然气）时，大气中的增加作用：地下水中增加，水对碳酸盐岩的溶解、结晶岩风化溶解的能力愈强！（4）地下水中气体成分特征小结：①气体成分——指示地下水所处的地球化学环境氧化环境还原环境②气体成分增加水对盐类的溶解能力→促进水—岩的化学反应（即相互作用）二、地下水中的主要离子成分（1）概述：地下水中组分很多，而分布广、含量多的主要有七种离子阴离子：，，阳离子：，，，离子成分含量与什么有关？①各种元素的丰度（克拉克值）—即某元素在地壳化学成分中的重量百分比②该元素组成的化合物在水中的溶解度在自然界，丰度较高的元素，如Si、Al、Fe，在水中含量很低；而某些丰度较低的，如Cl、S、C，在水中含量却很高。这说明元素组成的化合物的溶解度起主要作用。（2）主要离子的相对含量与地下水中的总含盐量（TDS）关系常见地下水的化学成分特征，与地下水的矿化度（或TDS）具有以下关系矿化度：低→中→高阴离子：阳离子：我们可以得出主要离子构成的盐类溶解度的大小为：碳酸盐类硫酸盐类氯化物（氯盐）（3）主要离子成分的来源低矿化度水中的常见离子：，，常共同出现在低矿化度水中。来源沉积盐岩的溶解、岩浆岩、变质岩等的风化溶解，如风化溶解反应式：沉积盐岩的溶解反应式：高矿化度水中的常见离子：，，常出现在高矿化度水中。来源沉积盐岩（钠盐、钾盐）的溶解，以及岩浆岩、变质岩的风化溶解，有时也有海水海风影响。变质岩的风化溶解反应式：中等矿化度水中的常见离子：，常出现在中等矿化度水中。其中，来源于沉积盐类溶解、金属硫化物的氧化、火山喷发，气体氧化、以及人类活动燃烧煤产生大量，大气中过高时，会出现降“酸雨”现象（如一些工业城市上空）。（4）主要离子成分在地下含水系统（岩层）中的分布插图6-1，表示了水中主要阴离子沿流程的变化特点。请思考？相应的阳离子和矿化度（TDS），沿流程如何变化？插图6-1主要阴离子沿流程变化特点（图中+号表示含量多少）三、地下水中的其他成分次要离子：阳离子，如阴离子，如及等微量组分：有Br、I、F、B、Sr等化合物构成的胶体：主要有，及等，有时可占到相当比例。有机质：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：如，硫细菌、铁细菌、脱硫酸细菌等；在污染水中，还有各种致病细菌。第三节地下水的温度地下水的温度受其赋存与循环处所的地温控制。变温带：浅埋地下水显示微小的水温季节变化。常温带：地下水水温与当地年平均气温很接近，这两带的地下水，常给人以“冬暖夏凉”的感觉。增温带：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。如西藏羊八井的钻孔，获得温度为160℃的热水与蒸汽，地下水水温的计算：已知年平均气温（t）、年常温带深度（h）、地温梯度（r）时，可概略计算某一深度（H）的地下水水温（T），即：地下水循环深度计算：利用地下水水温（T），可以推算其大致循环深度（H），即：地温梯度的平均值约为3℃／100m。通常变化于1.5—4℃／l00m之间，但个别新火山活动区可以很高。如西藏羊八井的地温梯度为300℃／100m。第四节地下水化学成分的形成作用本节讨论的地下水化学成分的形成作用包括：溶滤作用——水与岩的相互作用，经常发生浓缩作用——蒸发排泄条件下发生脱碳酸作用——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，→↑阴离子交替吸附作用——岩土表面吸附阳离子与水中阳离子的作用混合作用——2种或以上不同类型地下水交汇混合时发生人为活动的作用一、溶滤作用1、定义：在地下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组分，通常水的矿化度会增高。如：（岩——水作用）离子2、影响因素（水和岩两个方面考虑）岩土的化学组分：通常流经什么样岩土，就会有什么样的水化学特征如：石灰岩地区常见水、花岗岩地区常见水组分的可溶性：与组分的溶解度和溶解速度有关；盐分溶解度的差异，使易溶组分很快进入水中，而难溶组分缓慢进入水中。水的溶解能力：与水的矿化度（TDS）、气体组分（，）含量有关a.水中已溶组分的多少——即水的矿化度大小，随着盐份在水中的含量增高，水的溶解能力逐渐降低b.水中某些气体组分含量越高，如，气体含量高，可以增相应盐类的溶解度—增加硫化物的氧化，而被溶解—增加碳酸盐类的溶解度通常，入渗到地下的水（如降水、河水等），矿化度很低，随着水在地下含水岩层的运移，与岩土发生溶滤作用后，不断有新的盐份被溶解到水中，地下水的矿化度（TDS）增高，水的溶解能力就会下降。地下水的流动（交替）性：地下水的流动性是维系水的溶解能力的条件。而地下水的流动性取决于水的径流和交替强度（即V与Q）：停滞与流动很缓慢的地下水，溶解能力最终会降低为零，溶滤作用很弱地下水流动速度快，水交替（更新）迅速，，不断被补充，低TDS水不断更新已经降低溶解能力的水，保持水的溶解能力。请思考：如果某一地区，地下水流动很快，水交替（循环）迅速，水化学特征如何？也就是说，某一地区溶滤作用进行的很强烈，长期作用结果地下水中的矿化度高（TDS）如何？水中阴离子和水中阳离子以什么为主？3、溶滤作用的结果：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，如或水。这是由溶滤作用的阶段性决定的！设想岩层中原来含有包括氯化物、硫酸盐、碳酸盐及硅酸盐等各种矿物盐类。开始阶段水流作用，盐最易溶水中→随水带去，不断转入岩层中盐贫化随后，相对易溶的盐也被溶入水中→随水带走，岩层中盐也贫化最后（岩土中），只剩较难溶的碳酸盐类，溶滤的结果水中的化学成分就以较难溶的碳酸盐（或硅酸盐）为主二、浓缩作用1、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。用一个理想模式，来理解浓缩作用：矿化度：350mg/L700mg/L1400mg/L…2800mg/L插图6-2浓缩作用（过程）理想模式水份失去过程→盐分相对浓集，水的矿化度不断增高，相应的水的化学成分也发生变化。实际上地下水在蒸发过程中，发生的浓缩作用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，盐分积累后随水流也会不断补充，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。2、浓缩作用的结果：往往形成高矿化度的以易溶离子为主的地下水（，为主的）●蒸发浓缩前，地下水为低矿化水，阴离子以为主，阴离子以与为主。●随着蒸发浓缩，溶解度小的钙、镁的重碳酸盐部分析出，及逐渐成为主要成分。●继续浓缩，硫酸盐达到饱和并析出，水便形成以、为主的高矿化水浓缩作用的影响因素——与蒸发排泄的影响因素相同。因此，地下水化学成分形成作用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）。3、浓缩作用的基本条件：●干旱或半干旱的气候●低平地势控制下较浅的地下水位埋深●有利于毛细作用的颗粒细小的松散岩土最后一个必备的条件是地下水流动系统的势汇——排泄处，因为只有水分源源不断地向某一范围供应，才能从别处带来大量的盐分，并使之集聚。三、脱碳酸作用：（钟乳石、石笋、泉华均是脱碳酸作用的结果）1、发生条件：环境的温度和压力变化。水中的溶解度受环境的温度和压力控制。随温度升高或压力降低，一部分便成为游离从水中逸出，发生脱碳酸作用。脱碳酸作用反应式：2、脱碳酸的结果：地下水中及、减少，矿化度（TDS）降低，pH↓（略低）深部地下水上升成泉时，脱碳酸作用在泉口往往形成钙华。温度较高的深层地下水，由于脱碳酸作用使、从水中析出，阳离子通常以为主。四、脱硫酸作用1、发生条件：在还原环境中，有有机质存在，在脱硫酸细菌参与下，SO42—还原为H2S，反应式：2、脱脱硫的结果：地下水中减少以至消失，增加，pH值变大。封闭的地质构造，如储油构造，是产生脱硫酸作用的有利环境。因此，某些油田水中出现，而含量很低。这一特征可以作为寻找油田的辅助标志。五、阳离子吸附交替作用1、定义：岩土颗粒表面带有负电荷，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。不同的阳离子，其吸附于岩土表面的能力不同，按吸附能力，自大而小顺序为：。离子价愈高，离子半径愈大，水化离子半径愈小，则吸附能力愈大。则是例外。2、结果：岩土吸附的阳离子与水中阳离子交换，岩土与水中阳离子都发生变化。如：含为主的地下水，进入主要吸附有的岩土时，水中的便置换岩土所吸附的一部分，使地下水中曾多而减小。3、影响因素：阳离子交替吸附作用的规模取决于岩土的吸附能力，与岩土的比表面积。●颗粒愈细，比表面积愈大，交替吸附作用的规模也就愈大。因此，粘土及粘土岩类最容易发生交替吸附作用，而致密的结晶岩中，不发生这种作用。六、混合作用1、发生条件：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。●在海滨、湖畔或河边，地表水往往混入地下水中，发生混合；●深层地下水补给浅部含水层时，发生两种地下水的混合。2、作用结果：●混合作用，发生化学作用可能形成化学类型完全不同的地下水；●两种水的混合，也可能不产生明显的化学反应，此时，混合水的矿化度与化学类型取决于参与混合的两种水的成分及其混合比例。分析地下水的化学成分，不能用孤立的，静止的方法去套上述“作用”，应视具体条件，用综合的、发展的观点，抓住主要的问题去分析，把握。七、人为活动的作用人类活动对地下水化学成分的影响愈来愈大。体现在以下两个方面：●人类生活与生产活动产生的废弃物污染地下水；●人为作用大规模地改变了地下水形成条件，而使地下水化学成分发生变化。人类干预自然的能力正在迅速增强，因此，防止人类活动对地下水水质的不利影响，采用人为措施使地下水水质向有利方向演变，愈来愈重要了。第五节地下水化学成分的基本成因类型从形成地下水化学成分的基本成分出发，地下水分为三个主要成因类型：溶滤水、沉积水和内生水。一、溶滤水溶滤水：是富含与的渗入成因的地下水，溶滤它所流经的岩土而获得其主要化学成分。溶滤水的影响因素：受岩性、气候、地貌等因素的影响●地形因素是通过干扰气候，而控制和影响溶滤水的分带性●干旱地区的山间堆积盆地，气候、岩性、地形表现为统一的分带性，地下水化学分带最为典型。山前地区气候相对湿润，颗粒比较粗大，地形坡度也大；向盆地中心，气候转为十分干