第6章地下水的化学成分.docx

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第6章地下水的化学成分

第六章地下水的化学成分

　及其形成作用

　　学习目的和要求：

掌握地下水的主要化学成分、化学成分的来源及特点，理解和

掌握地下水化学成分的形成作用，熟悉和掌握地下水化学成分的分析内容与分类图示

。

了解地下水的温度、地下水化学成分的基本成因类型。

　　　　　　　　　　　　6．1概述

　　地下水不是化学纯的H2O，而是一种复杂的溶液。

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。

6．2地下水的化学特征

　　1．地下水中主要气体成分

（1）O2、N2，地下水中的O2含量多说明地下水处于氧化环境；

（2）H2S、甲烷

（CH4），地下水中出现H2S、CH4，说明处于还原的地球化学环境；（3）CO2，主要

来源于土壤，地下水中含CO2愈多，其溶解碳酸盐岩的能力便愈强。

　　2．地下水中主要离子成分

　　7大离子：

Cl-、SO42-、HCO3-、Na+、K+、Ca2+、Mg2+。

　　3．主要离子成分的来源及其特点

（1）Cl-，主要出现在高矿化水中。

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。

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。

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含碳酸盐的沉积盐与变质岩（大

理盐）；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纳矿物的风化溶解；④酸性岩浆岩中大量含

钠矿物。

　　（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。

　　（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。

　　4．地下水中的其他成分

（1）次要离子；

（2）微量组分（元素）；（3）胶体成分；（4）有机体；（5）

微生物。

　　5．地下水的总矿化度及化学成分表示式

　　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。

地下水水化学成分表示——库尔洛夫式：

将阴阳离子分别标示在横线上，按毫克当量

百分数自大到小顺序排列，小于１０％的离子不予表示。

6．3地下水的温度

　　地壳表层可分为3个带：

（1）变温带；

（2）常温带；（3）增温带。

　　地温梯度（γ）——是指每增加单位深度时，地温增值。

单位：

℃/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。

　　两个公式：

①利用地温梯度（γ），概略计算某一深度的地下水水温（T）；②利

用地下水温（T），推算其大致循环深度（H）。

6．4地下水化学成分的

形成作用

　　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：

（1）岩土中矿物盐类的溶解度；

（2）岩土的空隙；（3）

水的矿化度：

（4）水中CO2、O2等气体成分；（5）水的流动状况。

　　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。

　　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。

　　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。

结果：

①地下水中HCO3-、Ca2+、Mg2+减少；②矿化度

降低。

　　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。

结果：

①水中SO42+减少以至消失；②HCO3-增加，pH值变大。

　　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。

　　不同阳离子吸附能力的大小：

（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。

　　７．人类活动在地下水化学成分形成中的作用

　人类活动：

（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；

（2）改变地下水的形

成条件，水质发生变化：

过量开采地下水引起海水入侵，不合理灌溉引起次生盐渍化

，使浅层水变咸等；引淡补咸使地下水淡化。

6．5地下水化学成分的基本

成因类型

　　1．溶滤水

　　富含CO2与O2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，

这种水称之为——溶滤水。

　　影响因素：

岩性、气候、地形地貌等。

　　２．沉积水

　　沉积水——是指与沉积物大体同时生成的古地下水。

　　3．内生水

　　内生水——指来自地球深部层圈的水。

内生水的研究至今还很不成熟。

6．6地下水化学成分的分析

内容与分类图示

　　地下水化学成分的分析是研究地下水化学成分及其形成作用的基础。

工作目的与

要求不同，分析项目与精度也不同。

　　1．分析内容

（1）简分析，目的：

了解区域地下水化学成分的概貌。

特点；分析项目少，精度

要求低，简便快速，成本不高，技术上容易掌握。

（2）全分析，目的：

全面地了解地下水的化学成分。

通常在简分析的基础上选择

有代表性的水样进行全分析。

特点：

分析项目较多，要求精度高。

有关浓度的概念：

①当量浓度；②体积摩尔浓度。

　　2．地下水化学分类与图示方法

（1）舒卡列夫分类

前苏联学者舒卡列夫，根据地下水中六种主要离子（K+合并于Na+中）及矿化度划分。

①根据离子含量大于２５％毫克当的阴离子、阳离子进行组合，共分成４９型水，每

型以一个阿拉伯数字为代表；②按矿化度又分为４组，用A－D表示：

特点：

简明易懂，在我国广泛应用。

缺点：

①以离子含量>２５％毫克当量作为划分

水型的依据，有人为性；②反映水质变化不够细致（<25%不考虑）。

（2）Piper三线图解

Piper三线图解由两个三角形和一个菱形组成，左下角三角形的三条边分别代表阳离子

K++Na+、Ca2+、Mg2+的毫克当量%；右下角三角三条边分别表示阴离子HCO3+、SO42+、

Cl-的毫克当量%；菱形表示阴、阳离子组合的相对含量（毫克当量%）。

　　优点：

①不受人的影响；②可以分析地下水化学成分的演变规律。

思考题（略）