水文地质学 Hydrogeology 第四章 地下水的理化性质及其形成作用 2. 地壳热力状态表征指标 地热梯度r：在增温带，深度每增加100m，所增高的温度值。单位为oC/100m。 地热增温级G：温度每升高1℃ 所需增加的深度（m）称为地热增温级（单位： m /oC）。 第四章 地下水的理化性质及其形成作用 4.2 地下水的化学成分与特征 2. 硬 度 概念：水中Ca2+、 Mg2+的总含量。（meq/L） 目前新的国标中以CaCO3含量（mg/L）表示。 分类： 总硬度：水中Ca2+、 Mg2+的总含量 。 暂时硬度：水煮沸时（脱碳酸作用），因形成碳酸盐沉淀而失去的一部分Ca2+、 Mg2+含量 。 永久硬度：水煮沸后仍留在水中的Ca2+、 Mg2+含量 3. 酸碱度 地下水的酸碱度表示水中氢离子浓度大小，pH值表示。 当[H+]为10-7时，pH值等于7，水为中性。当[H+]大于10-7时，则pH值小于7，水为酸性。[H+]小于10-7时，pH值大于7，表明水为碱性。 4.2 地下水的化学成分与特征 4.3 地下水化学成分的形成作用 一、地下水起源化学成分的特点 地下水的化学成分继承补给源的化学成分。 1. 起源于大气降水或凝结水：补给区附近为矿化度低淡水，富含O2、N2、CO2及Ar等气体。 2. 来源地表水: 近河湖区富含HCO3- 、SO42-；近海岸富含Cl-、Na+ 。 3. 近海岸降水: Cl-、Na+含量高。 4. 古沉积盆地的地下水: 矿化度很高，主要离子为Cl-、Na+，并含有较多的Br、I 等微量元素，具有古海水的特征，H2S含量高。 4.3 地下水化学成分的形成作用 二、地下水化学成分的形成作用 各种不同来源的地下水，在后期循环过程中，不断与与周围的介质相互作用，化学成分不断变化，结果与原始的化学成分具有很大的区别。 作用类型：溶滤作用、浓缩作用、脱碳酸作用、脱硫酸作用、阳离子交替吸附作用 、混合作用。 4.3 地下水化学成分的形成作用 1.溶滤作用 溶滤作用是指地下水与岩土相互作用、岩土中一部分物质转入到地下水中的作用。 一个地区经受的溶滤愈强烈，时间愈长久，地下水的矿化度愈低，愈是以难溶离子为其主要成分。溶滤作用具有时间上的阶段性和空间上的差异性。 4.3 地下水化学成分的形成作用 溶滤作用的强度是岩土中的组分转入水中的速率，取决于： ① 组成岩土的矿物盐类的溶解度，盐岩NaCl易溶，SiO2难溶解； ② 岩土的空隙特征：致密基岩，水与矿物难以接触，难溶滤。 ③ 水的溶解能力：低矿化水的强，高矿化水的弱；决定着溶滤作用的强度。 ④ 水中CO2、O2等气体成分的含量，决定着某些盐类的溶解能力，有易形成HCO3-、SO42-，有O2易溶解硫化物。 ⑤ 水的流动状况：是关键因素，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。 4.3 地下水化学成分的形成作用 2. 蒸发浓缩作用 蒸发浓缩作用是地下水通过蒸发排泄而引起水中成分的浓缩，使水中盐分浓度增大、矿化度增高的现象。 必备条件： ①干旱半干旱的气候；②低平地势控制下的地下水位埋深小；③松散岩土颗粒细小，毛细作用强；④一般发生于地下水流动系统的排泄处；⑤具有时间和空间的尺度。 4.3 地下水化学成分的形成作用 3. 脱碳酸作用 脱碳酸作用是在温度升高、压力降低的情况下CO2自水中逸出而HCO3-含量则因形成碳酸盐沉淀减少的过程。 典型的例子是来自深部地下水的泉口的钙华。 Ca2+/Mg2++2HCO3- →CO2↑+H2O+Ca/MgCO3↓ 4.3 地下水化学成分的形成作用 4. 脱硫酸作用 脱硫酸作用是在封闭缺氧的还原环境中，在有机物和脱硫酸细菌作用下，硫酸盐被分解成H2S和HCO3-的生物化学过程。 SO22- + 2C + 2H2O → H2S + 2HCO3- 封闭的地质构造为其有利环境，油水中有H2S，为找油标志。 脱硝(氮)作用是水中氮氧化物在去氮菌作用下分解亚硝酸盐和硝酸盐、最后排出自由氮的过程，是水中富含N2和CO2。 硝化作用是有机质分解产生的酸在硝化菌作用下使铵氧化生成亚硝酸盐和硝酸盐的过程。 4.3 地下水化学成分的形成作用 5. 阳离子交替吸附作用 阳离子交替吸附作用是地下水与岩石相互作用，岩石颗粒表面吸附的阳离子被水中阳离子置换，并使水化学成分发生改变的过程。 吸附能力：H+ Fe3+ Al3+ Ca2+ Mg2+ K+ Na+ 阳离子交替吸附作用取决于岩土的吸附能力、岩土的比表面积、离子的相对浓度。 6. 混合作用 混合作用是指两种或两种以上不同成分水之间的混合，使原有水的化学成分发生改变的作用。有时发生化学反应，例如： Ca(HCO3)2+Na2SO4 →Ca SO4↓+ 2NaHCO3 4.3 地下水化学成分的形成作用 7. 人类活动对地下水化学成分影响 （1）工业生产的废水、废气和废渣，以及农业上大量使用化肥、农药，使地下水富集了原来含量很低的有害元素，如酚、氰、汞、砷、铬、亚硝酸等。 （2）人类活动通过改变地下水形成条件而改变地下水的化学成分。 4.3 地下水化学成分的形成作用 ① 滨海地区过量开采地下水引起海水入侵。 ② 不合理的打井采水使咸水运移。 ③ 干旱半干旱地区不合理地引入地表水灌溉，会使浅层地下水位上升，引起大面积次生盐渍化，并使浅层地下水变咸。 ④ 原来分布有地下咸水的地区，通过挖渠打井，降低地下水位，减少蒸发量，可使地下水淡化。 ⑤ 在地下咸水分布区，引来区外淡的地表水，合理补给地下水，也可使地下水变淡。 一、 地下水化学成分分析内容 简分析，全分析，专项分析 4.4 地下水化学资料整理与分析 1. 简分析 目 的：了解区域地下水化学成分概貌，水质是否适合饮用 分析项目： 物理性质，常规组分，总硬度，pH值，TDS NO3-, NO2-, NH4+, Fe2+, Fe3+, H2S、耗氧量(水中生物呼吸和非生物氧化所消耗溶解氧的数量;水样中可氧化物从氧化剂高锰酸钾所吸收的氧量。英文简称OC或CODMno )。 单位为mg/l, mmol/l。 简分析 一、 地下水化学成分分析内容 2. 全分析 目 的：较全面的掌握区域地下水化学成分，对简分析结果检核 分析项目：常规组分； NO3-, NO2-, NH4+, Fe2+, Fe3+, Mn2+, H2S，CO2, 耗氧量,干涸残余物（用白金或陶瓷坩锅进行蒸馏，取得干涸残余物）。 单位为mg/l, mmol/l。 4.4 地下水化学资料整理与分析 全分析 一、 地下水化学成分分析内容 3. 专项分析：细菌类、放射性、微量元素、等。 4.4 地下水化学资料整理与分析 4.4 地下水化学资料整理与分析 二、 地下水化学成分分析结果的表示 4.4 地下水化学资料整理与分析 （一）单项组分的表示 1.重量浓度单位 %，g/g，ppm（10-6g/g），ppt（10-9g/g） 2.体积浓度单位 g/L，mg/L，ug/L 说明：在低矿化度水中，水的比重为1，体积浓度单位与重量浓度单位的关系为：1mg/L=1mg/1000g=10-3g/103g=10-6g/g=1ppm。 同理：1ug/L=1ppt * * 开课：地下水科学与工程教研室主讲：姜纪沂助教：廖 欣联系：图405，电线 地下水的化学成分与特征 4.3 地下水化学成分的形成作用 4.4 地下水化学成分地下水化学资料整理与分析 4.5 地下水化学成分成因分类 4.1 地下水的物理性质 一、基本指标 地下水的物理性质是地下水的比重、温度、透明度、颜色、味、嗅味、导电性、放射性等物理特性的总和。 水温变化是影响水化学成分、水化学作用的重要因素。 悬浮固体（悬浮物）是指水中悬浮的泥砂、硅土、有机物和微生物等难溶于水的胶体或固体微粒。 比重取决于水中溶解盐数量。溶解盐越多，地下水比重越大。一般地下水的比重接近1。据此可判别盐湖中盐类沉积层位，便于分层位开采。 4.1 地下水的物理性质 导电性取决于水中溶解的电解质，即各种离子含量和价态。离子含量越多，价数越高，则导电性越强。此外，温度也影响导电性。 放射性取决于水中放射性物质含量。放射性矿床与酸性火成岩地区的地下水具有较高的放射性。利用水中放射性突然增强可以寻找放射性矿藏。 电导率(比电导) 是指电阻率的倒数，是度量水中离子含量的指标之一。淡水的电阻率为10-1~10-3?，咸水的电阻率比淡水的电阻率小，可根据电阻率确定滨海地区咸水和淡水分界面。 4.1 地下水的物理性质 地下水中的物质及颜色： 地下水中的物质及味道： 4.1 地下水的物理性质 地下水的透明度分级： 地下水的温度分级： 4.1 地下水的物理性质 二、地下水温度的控制因素 地温受太阳辐射能的影响呈周期性的昼夜变化和年变化，随着深度的增加，变化幅度逐渐减小。 地温变化幅度趋于零的深度为常温带。 地温受地球内部热力的影响，随着深度增加而有规律地升高。 1. 地壳的热力状态分层 例：已知年平均气温（t）、年常温带深度（h）、地温梯度（r）时，可估算某一深度（H）的地下水水温（T）：T= t+ (H-h).r。 4.1 地下水的物理性质 3. 地下水的温度受其赋存与循环所处的地温控制。 （1）变温带的浅埋地下水显示微小的水温季节变化。 （2）常温带中的地下水水温与当地年平均气温接近。 （3）增温带中的地下水，其水温随其赋存与循环深度的加大而升高，可成为热水乃至蒸汽。 例：利用地下水水温，可以估算其循环深度H？ 4.2 地下水的化学成分与特征 2. 研究地下水化学成分的意义 ① 阐明地下水的起源、形成与分布规律； ② 阐明成矿机制，完善与丰富找矿理论； ③ 地下水质量（环境）评价。 1. 地下水成分复杂 地下水成分复杂 下渗过程中与周围岩土产生溶滤作用（岩土成分复杂） 一、概述 一、概述 3. 研究学科 水文地球化学—研究地下水中化学元素迁移、集聚和分布规律的科学。 研究重点—地下水水质变化与地下水化学成分的形成作用。 4. 应注意问题 ⅰ.离不开地下水动力学的研究 ⅱ.要从与周围环境长期作用的观点出发 4.2 地下水的化学成分与特征 二、地下水的化学成分 组成地壳的87种元素，地下水中已发现70余种。存在形式： 4.2 地下水的化学成分与特征 气体： O2、N2、 H2S 、CH4、 CO2、Rn等 离子：H+, Na+, K+, Mg2+, Ca2+, Fe2+ , OH-, Cl-, SO42-, NO2-, HCO3-, CO32-, SiO32-, PO42- 胶体成分：SiO2 Fe(OH)3 Al(OH)3 有机质：可增加地下水的酸度，有利于还原。 微生物：① 氧化环境：硫细菌、铁细菌等；②还原环境：脱硫酸细菌等；③ 污染水：致病细菌。 （一）地下水中的气体成分 O2、N2是氧化环境（开放、与大气相通）的标志； H2S 、CH4是还原环境（封闭、与大气隔绝）的标志； CO2的来源：生物化学作用；地壳深处灰岩遇热分解 4.2 地下水的化学成分与特征 1. 氧（O2）、氮（N2） （1）来源： O2 主要来源于大气； N2 三个来源：大气、生物成因、变质成因。 （2）判别： O2与N2共存---来源于大气并处于氧化环境 N2单独存在---来源于大气并处于还原环境 大气中惰性气体（Ar, Kr, Xe）与N2的比值： （Ar, Kr, Xe）/ N2 = 0.0118，则N2是大气起源 （Ar, Kr, Xe）/ N2 ＜ 0.0118，则N2有生物或变质起源 4.2 地下水的化学成分与特征 2. 二氧化碳（CO2） 来源： 大气——但含量较低，工业化城区含量高。 生物——土壤有机质残骸的发酵作用与植物的呼吸作用 变质——地球深部高温高压下变质生成： 人为——工业发展造成（温室效应） 400℃ CaCO3======CaO+CO2 作用: 地下水中CO2越多，其溶解碳酸盐岩和对云开科技股份有限公司结晶岩进行风化作用的能力越强。 4.2 地下水的化学成分与特征 3. 硫化氢（H2S）、甲烷（CH4） H2S来源： 硫酸盐还原： 硫化矿物分解： 火山喷发 H2S和CH4的存在表明还原环境 。 H2S一般出现在深层地下水中，油田水中含量很高，常以此作为寻找石油的间接标志。 4.2 地下水的化学成分与特征 阳离子：H+, Na+, K+, Mg2+, Ca2+, Fe2+ 阴离子：OH-, Cl-, SO42-, NO2-, HCO3-, CO32-, SiO32-, PO42- （二）地下水中的主要离子成分 4.2 地下水的化学成分与特征 4.2 地下水的化学成分与特征 4.2 地下水的化学成分与特征 （1）氯离子Cl- 特点： 含量一般为n mg/l~100g/l。① Cl-不为植物和细菌摄取，② 不被土壤颗粒表面吸附，③ 不易沉淀，溶解度大，在水中最为稳定，④ 随矿化度增大，其含量增大, 是水中含盐量多寡的标志。 来源： ①? 沉积岩中盐岩、氯化物的溶解； ② 岩浆岩含氯矿物氯磷灰石Ca5(PO4)3Cl、方钠石NaAlSiO4. NaCL的风化溶解； ③ 火山喷发物的溶滤； ④? 海水； ⑤ 人为污染：工业、生活污水和粪便。 4.2 地下水的化学成分与特征 4.2 地下水的化学成分与特征 （2）硫酸根离子SO42- 特点： SO42-地下水中总含量在阴离子中仅次于Cl-。其含量变化范围由小于1毫克至数克不等。中等矿化度的水中含量高。 来源： ① 石膏、沉积硫酸盐岩的溶解 ② 煤系地层中黄铁矿FeS2、金属硫化物的氧化 2FeS2 +7O2+2H2O→FeSO4+ 4H++ 2SO42- ③ 化石燃料，进入空气中形成酸雨，人为产生SO2与氮氧化物（2.0~2.5亿t/a） 。 4.2 地下水的化学成分与特征 （3）重碳酸根离子HCO3- 特点：含量一般不超过1g／L，因为HCO3-主要来源于碳酸盐类岩石，而它的溶解度很小，只有当地下水中存在CO2时才较易溶于水。通常以HCO3-为主要成分的地下水含盐量都不高，是淡水的特征。 来源： ① 碳酸盐岩溶解：Ca/MgCO3+H2O+CO2→2HCO3-+Ca2+/Mg2+ ② 岩浆岩、变质岩地区铝硅酸盐矿物风化溶解（钠、钙长石） Na2Al2Si6O16+2CO2+3H2O→2HCO3-+2Na++ H4Al2Si2O9+4SiO2 CaO . 2Al2O3. 4SiO2+2CO2+5H2O→2HCO3-+Ca2++ 2H4Al2Si2O9 4.2 地下水的化学成分与特征 （4）钠离子Na+ 特点：地下水中分布最广泛的阳离子，其含量可由每升数毫克至效十克甚至一百克以上，是高矿化度水中主要阳离子。 来源：盐岩、钠岩的溶解；海水；含钠矿物的风化溶解。 如：火成岩与变质岩中某些含钠矿物的风化溶解。 2NaAlSi3O8+2H2O+CO2→4H4A12Si2O9+Na2CO3+4SiO2 Na2CO3+H2O →2Na++HCO3-+OH- 所以，在酸性火山岩地区可以形成HCO3－Na型水。 4.2 地下水的化学成分与特征 （5）钾离子K+ 特点: 易被粘土吸附和植物吸收 参与形成不溶于水的次生矿物（水云母、蒙脱石、绢云母等） 在地下水中的含量比钠离子低，在低矿化度中甚微，而在高矿化度中较多。 来源: ①?钾岩沉积岩的溶解； ② 含钾矿物的岩石矿物风化溶解。 4.2 地下水的化学成分与特征 （6）钙离子Ca2+ 特点： 分布广，一般含量低，很少超过 l.0g/L。因其来源于地下水溶解碳酸盐类岩石，而这类岩石的溶解度很低。随含盐量增高相对含量很快减少。由于CaCl2 的溶解度相当大，所以矿化度格外高时， Ca2+可以是主要阳离子。 特点： ① 碳酸盐的沉积物，膏盐沉积物； ② 岩浆岩、变质岩中含钙矿物的风化溶解。 4.2 地下水的化学成分与特征 （7）镁离子Mg2+ 特点： 地下水中分布广，含量低，通常不作为地下水的主要离子。 溶解度比Ca2+高，但含量比Ca2+低，这是因为地壳组成中Mg比Ca少， Mg2+容易被植物吸收、同时参与次生矿物的组成。 在富含铁镁矿物的超基性岩区，存在高Mg2+水。 来源: ① 含镁的白云岩、泥灰岩等碳酸盐类溶解； ② 基性岩浆岩、变质岩中含镁矿物的风化溶解。 4.2 地下水的化学成分与特征 （三）地下水中的化学性质 总溶解固体 硬度 酸碱度 4.2 地下水的化学成分与特征 1.总溶解固体 （Total Dissolved Solids—TDS） 地下水中所含种离子、分子与化合物的总量。(g/L） 习惯上以105 ℃-110℃时将水干所得的涸残余物总量。 因此： ⑴ 计算时挥发性成分不计入； ⑵ HCO3-只取重量的半数 。 注：深层地下水矿化度高于浅层地下水，热水矿化度高于冷水。 * *

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