地下水的化学成分及其形成作用.ppt

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1、7.1 概述 7.2 地下水的化学组分（Chemical composition of G.W.） 7.3 地下水化学成分的形成作用 （Chemical actions of G.W.） 7.4 地下水基本成因类型及其化学特征 (自学） 7.5 地下水化学成分分析及其图示(自学）,第7章 地下水的化学组分及其演变（Chemical composition and chemical actions of G.W.）,地下水的化学成分是地下水与周围环境长期相互作用的产物，它是一种重要信息源，是“化石”，研究地下水的化学成分可以帮助我们回溯一个地区的水文地质历史，阐明地下水的起源和形成。 地下水是地

2、壳中元素迁移、分散与富集的载体，研究成矿过程中地下水的化学作用，对于阐明成矿机制，完善与丰富成矿理论有很大意义。 不能从纯化学角度，孤立、静止地研究地下水的化学成分及其形成，必须从地下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和规律。 从实际应用来看，不同的用水目的，对水质要求不同，因此研究地下水的化学成分也是水质评价的需要。,7.1 概述,7.2 地下水的化学组分（Chemical composition of G.W.）,气体组分 （CO2, O2等） 离子组分（Cl-, SO42-,K+等） 同位素组分（氢、氧、碳同位素） 微量组分（Br、I、F、B、Sr等） 胶体悬

3、浮物（Fe（OH）3、 Al（OH）3 、H2SiO3等 ） 有机质（常使地下水酸度增加，有利于还原作用） 微生物（氧化环境的硫细菌和铁细菌、还原环境的脱硫酸细菌以及污染水中的致病细菌等）,O2、N2 来源：大气 O2含量愈高，表明地下水所处的地球化学环境愈有利于氧化作用 ； N2的单独存在表明地下水起源于大气并处于还原环境。 H2S、CH4 与有机物、微生物的生物化学过程有关； 表明地下水所处的地球化学环境为还原环境; 成煤过程（煤田水），成油气过程（油气藏，油田水）。 CO2 来源,地下水中主要气体组分,研究意义 指示地下水所处的地球化学环境； 影响地下水的溶解能力； O2、CO2，地下水

4、对岩石矿物的溶解能力。 决定地下水的利用价值。,土壤层：溶解、有机质残骸发酵、植物呼吸作用； 碳酸盐岩分解 人类活动：化石燃料（煤、石油、天然气）燃烧,含量愈高，水对碳酸盐岩溶解、结晶岩风化溶解能力愈强。,主要阴离子（anions）： 主要阳离子（cations）：,地下水中主要离子组分（Common ions）,地下水中离子成分主要取决于： 元素的丰度； 元素组成的化合物在水中的溶解度。,地下水中次要离子成分：,碳酸盐类 硫酸盐类 氯化物,常见离子在水中的相对含量与矿化度有关,地下水中主要离子成分,Cl- （高矿化水中主要阴离子）： 沉积盐类溶解； 岩浆岩含氯矿物（如氯磷灰石、方钠石）的风化

5、溶解； 海水； 火山喷发物的溶滤； 人为污染。 地下水中最稳定的离子，其含量随矿化度升高而增加，常可用来说明地下水的矿化程度。 SO42- （中等矿化水中主要阴离子） ： 硫酸盐沉积岩的溶解； 金属硫化物（如黄铁矿、煤系地层）的氧化； 人类活动化石燃料燃烧产生SO2，降“酸雨”。 HCO3- （低矿化水中主要阴离子） ： 含碳酸盐的沉积岩与变质岩的溶解; 岩浆岩、变质岩铝硅酸盐矿物(钠长石、钙长石）的风化溶解。,地下水中主要离子成分来源,Na+ 、K+ （高矿化水中主要阳离子） ： 沉积盐岩（钠盐、钾盐）的溶解； 岩浆岩、变质岩含钾、钠矿物的风化溶解； 海水； 在地下水中K+ 含量比Na+少得

6、多，因为K+ 大量参与形成不溶于水的次生矿物（如绢云母、蒙脱石等），并易被植物吸收； K+ 的性质与Na+相近，含量少，分析困难，故在一般情况下，将K+归并到Na+中，不另区分。 Ca2+、 Mg2+ （低矿化水中主要阳离子） ： 碳酸盐类沉积物或含石膏沉积物的溶解； 岩浆岩、变质岩含钙、镁矿物的风化溶解；,地下水中主要离子成分来源,地下水的总矿化度及化学成分表示式,定义：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。 通常以在105110温度下，将水蒸干所得的干涸残余物来表征总矿化度。 计算方法：M=阳离子+阴离子- 0.5HCO3- 地下水按矿化度分类,地

7、下水的总矿化度M（Total Dissolve Solid，TDS）,地下水化学成分表示式库尔洛夫式,横线前：表示特殊成分、气体成分及矿化度（以M表示），单位都是g/L； 横线上下方：将阴/阳离子毫克当量百分数10%的离子按自大到小顺序分别标示；,横线后： 水温t（oC) 。,离子的毫克当量=离子的毫摩尔*离子价,离子的毫摩尔=离子的毫克数/离子量（原子量）,毫克当量百分数=某离子的毫克当量/阴（阳）离子的毫克当量总数,已知某地地下水的化学成分如下表所示，水温为21，完成下表，计算总矿化度，并写出该水样的库尔洛夫式。 原子量：C=12，S=32，Cl=35.5，Na+K=25，Ca=40，Mg

8、=24，O=16。,作业,溶滤作用（Dissolving process） 浓缩作用（Concentrating process） 脱碳酸作用（Decarburization process） 脱硫酸作用（De-vitrioling process） 阳离子交替吸附作用（Cation alternate-adsorbing process） 混合作用（Mixing process） 人类活动在地下水化学成分形成中的作用,7.3 地下水化学成分的形成作用,影响溶滤作用强度的因素 岩土 化学组分（如石灰岩HCO3-Ca水、花岗岩HCO3-Na水)； 组成岩土的矿物盐类的溶解度，溶解度的差异导致易溶

9、先进入水中，难溶的后进入水中。 水 水的溶解能力（TDS，O2、CO2等）； 通常刚渗入到地下的水，矿化度很低， O2、CO2含量高，随着地下水的运移，不断有新的盐分溶解到水中，TDS， O2、CO2，水的溶解能力下降，最终水的溶解能力0，溶滤作用是否将会停止？,溶滤作用（Dissolving process）,定义：在水与岩土相互作用下，岩土中一部分物质转入地下水中，这就是溶滤作用。 结果：岩土失去一部分可溶物质，地下水获得新的成分，矿化度 。,地下水的流动性：地下水的径流和交替强度（Q与V）,水流停滞或流动缓慢的地下水，溶解能力最终会降为零，溶滤作用停止。 水流速度快，交替（更新）迅速，水

10、流不断被更新，CO2、O2不断被补充，低TDS水不断更新溶解能力已降低的水，溶滤作用将长期进行。,思考 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（TDS）是高？还是低？水中以哪种阴、阳离子为主？,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，HCO3Ca水 或 HCO3Ca Mg水； 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： 开始：Cl盐最易溶于水中 随水带走 随后： SO42-盐类被溶入中 随水带走 最后：岩土中只剩较难溶的碳酸盐类 因此，溶滤作用是地质历史长期作用的结果，须从地质历

11、史发展的角度来理解； 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，易溶解的组分被水带走，最后是难溶成分的低矿化水。,浓缩作用（ Concentrating process ）,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。 浓缩作用的产生条件 干旱或半干旱的气候； 地势平坦； 水位埋深小； 颗粒细小的松散岩土； 地下水流动系统的排泄处。 浓缩作用的结果 矿化度升高； 形成以易溶离子为主的地下水（Cl-Na+为主）； 土壤盐渍化。,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

12、有一定的分带性（空间上）,丘陵,倾斜平原区,低平原,颗粒粗 水位埋深大 溶滤作用 水交替迅速 矿化度低 HCO3Ca,过渡区 矿化度中 SO4MgCa,颗粒细 水位埋深小 浓缩作用 水流迟缓 矿化度高 ClNa,矿化度升高,SO42-,HCO3-,Cl-,脱碳酸作用（Decarburization process） 定义 水中CO2的溶解度受环境温度和压力控制， 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。,脱碳酸作用的结果 HCO3- 、 Ca2+ 、 Mg2+ ; 矿化度 pH 泉口附近形成的钙华就是脱碳酸作用的结果。,脱硫酸作用（D

13、e-vitrioling process） 定义 在还原环境中，当有有机质存在时，脱硫酸细菌能使SO42-还原为H2S ，这种作用称为脱硫酸作用。,脱硫酸作用的结果 SO42- HCO3- pH值 寻找油田的辅助标志。,粘土及粘土岩类最容易发生交替吸附作用。,当含Ca2+为主的地下水进入主要吸附有Na+的岩土时，水中的Ca2+便置换岩土中所吸附的一部分Na+，使得地下水中Ca2+减小而Na+增多。,阳离子交替吸附作用,不同阳离子吸附于岩土表面的能力不同。,H+Fe3+Al3+Ca2+Mg2+K+Na+,定义：岩土颗粒表面带有负电荷，能够吸附阳离子，在一定条件下，颗粒吸附地下水中某些阳离子，而将

14、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。,定义：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，这就是混合作用。 如地表水混入地下水；深层地下水补给浅部含水层等。 混合作用的两种类型：,发生化学反应：如以SO42- 、 Na+为主的地下水与HCO3- 、 Ca2+为主的水混合：,不产生化学反应：如高矿化的氯化钠型海水混入低矿化的重碳酸钙镁型地下水中。,混合作用（Mixing process）,污染地下水： 工业三废； 农业面源污染（化肥、农药）； 生活污水。 改变地下水的形成条件 过量开采地下水引起海水入侵； 干旱半干旱地区不合理的地表水灌溉（造成

15、浅层地下水位上升）引起的次生盐渍化； 咸水分布区通过挖渠打井，降低地下水位，改变了地下水的排泄方式（由蒸发排泄变为径流排泄），从而使地下水水质淡化。,人类活动在地下水化学成分形成中的作用,7.4 地下水基本成因类型及其化学特征（自学）,7.5 地下水化学成分的分析及其图示（自学）,地下水化学分析内容 简分析 全分析 地下水化学分类舒卡列夫分类,溶滤水 沉积水 内生水,地下水化学分析内容是水质评价基础,简分析 目的是初步了解水质是否适于饮用； 分析项目少，精度低，简便快速，成本不高，技术要求容易掌握； 分析项目 物理性质：温度、颜色、透明度、嗅味、味道等 ； 定量分析指标： HCO3- 、 SO

16、42- 、 Cl- 、 Ca2+ 、 Mg2+、 K+Na+ 、总硬度、pH值、矿化度； 有时含专项分析： NO3- 、 NO2- 、 NH4+ 、 Fe2+ 、 Fe3+ 、H2S、耗氧量等。,地下水化学分析内容,全分析 目的是较全面了解地下水化学成分，检核简分析结果 ； 分析项目多，精度高； 定量分析指标： HCO3- 、 SO42- 、 Cl- 、 CO32- 、 NO3- 、 NO2- 、 Ca2+ 、 Mg2+ 、K+、Na+、 NH4+ 、 Fe2+ 、 Fe3+ 、H2S、 CO2 、pH值、耗氧量、总硬度 及干涸残余物；某些微量元素、有毒组分；研究水的侵蚀性时需分析水的侵蚀性CO2。 地下水化学分析的结果，离子含量以mg/L与毫克当量/升表示。,将含量大于25%毫克当量的阴、阳离子（各7种）进行组合，共分成49型水，每型以一个阿拉伯数字作为代号； 按矿化度又划分为四组： A组（M40g/L）。,按舒卡列夫分类： B-46,舒卡列夫分类（P61），揭示了矿化度从低到高的分布规律。,地下水化学分类舒卡列夫分类,