地下水的物理性质和化学成分课件

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1、第第3章章 地下水的物理地下水的物理性质和化学成分性质和化学成分第1页，共83页。第2页，共83页。地地壳壳表表层层有有两两个个热热能能来来源源：一一个个是是太太阳阳的的辐辐射射，另另一一是是来来自地球内部的热流。自地球内部的热流。地壳表层可分为地壳表层可分为变温带变温带、常温带常温带及及增温带增温带。3.1 3.1 地下水的地下水的物理性质地下水的地下水的物理性质（1 1）温度）温度 地下水的物理性质通常是指温度、颜色、味、嗅、透明度、比重、导电性、放射性等。第3页，共83页。变温带变温带 受受太阳辐射影响太阳辐射影响的地表极薄的带。由于太阳辐射能的周期变化，的地表极薄的带。由于太阳辐射能的

2、周期变化，呈现呈现地温地温的的昼夜昼夜变化和变化和季节季节变化。变化。地温的昼夜变化只影响地表以下地温的昼夜变化只影响地表以下1 12m2m深。深。变温带的下限深度一般为变温带的下限深度一般为151530m30m。此深度地温年变化。此深度地温年变化小于小于0.10.1。第4页，共83页。常温带常温带 地温一般比当地年平均气温高出地温一般比当地年平均气温高出1-2。在粗略计算时，可将。在粗略计算时，可将当地的多年平均气温作为常温带地温。当地的多年平均气温作为常温带地温。第5页，共83页。常温带常温带第6页，共83页。常温带常温带第7页，共83页。增温带增温带 常温带以下，地温受地球常温带以下，地

3、温受地球内热影响内热影响，通常随深度加大而有，通常随深度加大而有规律地升高。规律地升高。增温带中的地温变化可用增温带中的地温变化可用【地温梯度】【地温梯度】表示。表示。地温梯度地温梯度是每是每增加单位深度时地温的增值，一般以增加单位深度时地温的增值，一般以/100m为单位。为单位。温度每升高温度每升高1所需增加的深度（所需增加的深度（m）称为【）称为【地热增温级】地热增温级】（m/）一般地区为：一般地区为：33m/近代火山活近代火山活动动地区地区为为：1m/；如西藏羊八井达到；如西藏羊八井达到0.3m/前寒武纪地区为：前寒武纪地区为：100m/第8页，共83页。（2）颜色由于含有某种离子较多，

4、或者富集悬浮物质和胶体物质（3）味取决于水中溶解的盐类和有机质二氧化碳二氧化碳清凉可口清凉可口重碳酸钙重碳酸钙味美可口味美可口氯化钠氯化钠咸味咸味硫酸钠硫酸钠涩味涩味氯化镁或硫酸镁氯化镁或硫酸镁苦味苦味氯化亚铁氯化亚铁墨水味墨水味有机质或腐殖质有机质或腐殖质甜味，但不宜饮用甜味，但不宜饮用氯化铁氯化铁铁锈味铁锈味第9页，共83页。（4）嗅（气味）取决于所含的气体成分与有机物质硫化氢硫化氢臭鸡蛋臭鸡蛋腐殖质腐殖质霉味霉味亚铁离子亚铁离子铁腥味铁腥味（5）透明度含有泥沙、腐殖质等的原因（6）比重因温度、矿化度不同，比重不同第10页，共83页。（7）导电性因为含有各种离子成分离子浓度越高，温度越高，

5、导电性越强 根据地下水的导电性，可以区分含水层和隔水层、矿水和淡水，也可以根据导电性圈定富水地带，寻找断裂破碎带（8）放射性取决于其中放射性物质的含量 地下水按放射性元素的含量（g/L）分为强放射性水，中等放射性水和弱放射性水以镭为例10-9g/L10-10g/L强中等弱第11页，共83页。福岛第一核电站运营商东京电力公司发言人松茂直之3月31日说，东电3月30日11时10分从1号反应堆地下15米处采集地下水样本。检测结果显示，每千克样本碘131放射性活度为430贝克勒尔，超过政府规定安全水平1万倍。第12页，共83页。3.2.1 地下水中主要气体成分 各种气体、离子、胶体物质、有机质以及微生

6、物等 主要的气体组分：O2、N2、CO2、H2S、CH4、H2、碳氢化合物及少量的惰性气体。来源：空气（O2、N2、CO2）、生物化学（H2S、CH4、N2、CO2），化学及核反应（He、Rn）气体成分气体成分存在的意义存在的意义：气体成分能够说明气体成分能够说明地下水所处的地下水所处的地球化学环境地球化学环境；地下水中的有些气体会地下水中的有些气体会增加水溶解盐类的能增加水溶解盐类的能力力，促进某些化学反应促进某些化学反应。3.2 3.2 地下水的化学成分地下水的化学成分第13页，共83页。1）氧（O2）溶解于水中的氧称为溶解于水中的氧称为“溶解氧溶解氧”，其溶解量随，其溶解量随水的矿化度水

7、的矿化度升升高高、埋藏深度埋藏深度增加增加、温度温度升高升高、大气压力大气压力 降低降低 而而 降低降低。氧的溶解度氧的溶解度含量分布特征含量分布特征 A）地下水中溶解的含量，一般在015mg/L B）地下水中的O2随深度增加而减少（由于氧化作用耗氧所致）C）缺氧环境各地深度不一，主要取决于地下水与大气的隔离度第14页，共83页。1）氧（O2）氧的来源氧的来源A）主要来源于大气，O2占大气21%，所以地下水中O2浓度主要取决于地下水与大气的隔离程度；B）水生植物光合作用释放氧，光合作用把CO2转变为O2C）放射性作用使水或水中有机物质分解而释出氧。第15页，共83页。氧的水文地球化学作用氧的水

8、文地球化学作用 A）O2决定地下水的氧化还原状态，从而影响水中元素的迁移。如在含氧多的地下水中，Fe形成高价化合物而从中沉淀；反之，地下水中含O2少，形成低价态化合物而易于在水中迁移 B）对金属材料具有侵蚀作用。如自来水管的锈蚀。第16页，共83页。2)氮（N2）来源来源 A）主要来自大气，N2占大气的78%。B）在封闭缺氧的地质构造，由于去硝化作用将NO3-和NO2-转为N2。第17页，共83页。2)氮（N2）A）由于）由于N2的化学性质不及氧活泼，它的分布随深度的减少，不及的化学性质不及氧活泼，它的分布随深度的减少，不及O2明显明显 B）大气中的惰性气体（）大气中的惰性气体（Ar/氩、氩、

9、Kr/氪、氪、Xe/氙氙xin）与）与N2的的比例恒定，即：（比例恒定，即：（Ar+Kr+Xe）/N2=0.0118。比值等于此数，说明比值等于此数，说明N2是大气起源的；小于此数，则表明水是大气起源的；小于此数，则表明水中含有生物起源或变质起源的中含有生物起源或变质起源的N。分布特征分布特征第18页，共83页。3)硫化氢（H2S）pH值H2S在水溶液中含量（%）游离H2SHS-S2-599.140.86691.978.73753.3946.61810.0489.9691.1198.830.04100.1199.530.36110.1196.493.50 天然水中，H2S能以溶解气体及硫氢酸的

10、离解形式存在：地下水中地下水中H2S的的存在形式存在形式A）在酸性介）在酸性介质质中（中（pH6.5），呈，呈H2S溶解溶解气体气体的形式存在的形式存在B）在碱性介）在碱性介质质中（中（pH7.5），呈），呈HS-形式存在；形式存在；C）中性介）中性介质质（pH6.57.5），），H2S、HS-各占一部分。各占一部分。水中H2S衍生物的比例与pH值的关系 由于H2S的二级电离常数极小，所以S2-在水中极少见第19页，共83页。分布特征分布特征 A）一般地下水中含量很少，多在1mg/L以下。B）在油田地下水及现代火山活动区地下水中，H2S含量较高，可达几十g/L几百mg/L。H2S的存在说明地下

11、水处于还原环境。来源来源 A）有机物来源：含硫蛋白质的分解，经常出现在生物残骸腐烂的地方。B）无机来源：缺氧条件下，脱硫酸作用使硫酸盐还原分解而产生H2S；火山喷发气体的析出。第20页，共83页。4）二氧化碳（CO2）基本概念基本概念A）游离CO2 溶解于水中的CO2统称为游离CO2B）平衡CO2与HCO3-相平衡的CO2，称为平衡CO2C）侵蚀性CO2当水中当水中“游离游离CO2”，大于，大于“平衡平衡CO2”时时，多余部分的多余部分的CO2对对碳酸和金属构件等具碳酸和金属构件等具有侵有侵蚀蚀性，性，这这部分部分CO2，即，即为为“侵侵蚀蚀性性CO2”第21页，共83页。来源来源A）空气中的

12、CO2空气中的CO2按体积只占0.3%，可造成水中0.5mg/L的CO2B）土壤中生物化学作用的CO2（植物呼吸有有机物分解）土壤上中各种各样的有机物，在微生物的作用下分解产生CO2 如在地下6米深的空气中含7%的CO2，比地面空气中的含量增加很多倍，从而土壤上CO2成为浅部地下水中CO2的主要来源C）深部地壳中发生的各种变质作用产生的CO2第22页，共83页。D）幔源碳逸出E）岩浆分异作用产生的CO2 地幔中含丰富的CO2和CH4等气体，它们可沿切穿地幔的大型断裂构造进入地壳浅部的地下水，其中CH4等碳氢化合物在上升过程中被氧化成CO2岩浆分异的气体中，CO2仅次于水蒸汽占第2位分布特征分布

13、特征 A）一般地下水中游离CO2为1540mg/L，很少超过150mg/L B）矿泉水中CO2含量很高，几百mg/L至几十 g/L。如：江西崇仁马鞍坪温泉CO2=750mg/L，江西寻乌温泉CO2=1193mg/L。前苏联高加索矿水区，地下1300m深处碳酸水，CO24000mg/L C）现代火山活动区，地下水中CO250010000mg/L。第23页，共83页。碳酸水的利用碳酸水的利用A）天然饮料矿泉水：水中CO2大于250mg/LB）碳酸泉：水中CO2大于750mg/LC）碳酸饮料具有良好的医疗作用，增进食欲，改善消化功能等D）医疗：治疗高血压、冠心病及外伤溃疡。5）甲烷（CH4）CH4是

14、最简单的有机物，它可由有机质的各种生物化学作用产生。一般地下水中含量不高，只有在封闭的还原环境的地下水中达到较高含量。石油及卤水中CH4含量很高：四川某卤水开采区，井下4500m以下的地下卤水中，10%为CH4气体。当地下水中有硫酸盐时，甲烷能促使还原而产生H2S气体，甲烷是强还原环境标志之一。第24页，共83页。3.2.2 地下水中的主要离子成分地下水中的主要离子成分Cl、SO42、HCO3（CO32）Na、K、Ca2、Mg2第25页，共83页。一般情况下，随着总矿化度（溶解性总固体/TDS）的变化，地下水中占主要地位的离子成分也随之发生变化。低矿化水中常以HCO3-及Ca2+、Mg2+为主

15、；高矿化水则以C1-及Na+为主；中等矿化的地下水中，阴离子常以SO42-为主，主要阳离子则可以是Na+，也可以是Ca2+。这是因为：地下水中常地下水中常见盐类见盐类的溶解度（的溶解度（0，单单位位g/L）盐类溶解度盐类溶解度盐类溶解度NaClKClMgCl2CaCl2350290558.1（18）731.9（18）Na2SO4MgSO4CaSO4502701.9Na2CO3MgCO3193.9（18）0.1第26页，共83页。总的来说，氯盐的溶解度最大，硫酸盐次之，碳酸盐较小。钙的硫酸盐，特变是钙、镁的碳酸盐，溶解度最小；随着矿化度增大，钙、镁的碳酸盐首先达到饱和并沉淀析出，继续增大时，钙的

16、硫酸盐也饱和析出，因此，高矿化水中便以易容的氯和钠占优势了（由于氯化钙的溶解度更大，因此在矿化度异常高的地下水中以氯和钙为主）1 1）氯离子）氯离子（Cl）迁移性能迁移性能A）不形成难溶化合物；B）不被胶体所吸附；C）不被生物所吸附第27页，共83页。A）来自来自沉沉积积岩岩中所含中所含岩岩盐盐或其它或其它氯氯化物化物的的溶解溶解；B）来自来自岩岩浆浆岩岩中含中含氯矿氯矿物物。氯氯磷灰石磷灰石Ca5（PO4）3Cl、方、方钠钠石石NaAlSiO4NaCl的的风风化溶解化溶解；C）来自来自海水海水。海水。海水补给补给地下水，或者来自海面的地下水，或者来自海面的风风将将细细沫状的海水沫状的海水带带

17、到到陆陆地，使地下水中地，使地下水中Cl-增多；增多；D）来自来自火山火山喷发喷发物物的溶的溶滤滤；E）人人为污为污染：工染：工业业、生活、生活污污水及水及粪粪便中含有大量便中含有大量C1-。来源来源分布规律分布规律 地下水中的Cl含量从几mg/L至100mg/L以上均有。地下水中的Cl含量随地下水矿化度的增高而增高。在高矿化度水中，占阴离子首位，形成氯化物水。第28页，共83页。2）硫酸根（SO42）迁移性能迁移性能 迁移性能较强，仅次于Cl。SO42的迁移性能受下列四个因素控制：A）水中SO42易与Ca2、Ba2、Sr2等离子形成难溶盐。B）热带潮湿地区土壤中的Fe(OH)2、Al(OH)

18、22胶体可以吸附SO42。C）易被生物吸收，硫是蛋白质的组成部分。D）脱硫酸作用：在缺氧、有脱硫酸菌存在的情况下，SO42被还原成H2S等的过程。第29页，共83页。分布规律分布规律 A）随地下水矿化度增高，SO42含量增加，但增加速度明显落后于Cl。在中等矿化度水中，常成为含量最多的阴离子 B）在某些特殊情况下，地下水中含量可达到很高，例如硫化矿氧化带中的矿坑水，石膏层地下水。来源来源A）石膏、硬石膏及含硫酸盐的沉积物。B）硫化物及天然硫的氧化，则使本来难溶于水的S以SO42-形式大量进入水中。例如：（黄铁矿）第30页，共83页。C）火山喷发物中的硫和硫化物的氧化D）酸雨，大气降水中的SO4

19、2E）有机物的分解F）生活、工业、农业废水 由于CaSO4的溶解度较小，限制了SO42-在水中的含量，所以地下水中的SO42-远不如C1-来得稳定，最高含量也远低于C1-。来源来源2）硫酸根（SO42）第31页，共83页。3 3）HCO3 和和 CO32分布规律分布规律 HCO3在低在低矿矿化度水中主化度水中主导导地位，在阴离子中占首位。地位，在阴离子中占首位。在某些含在某些含CO2的水中，的水中，HCO3含量可达含量可达1000mg/L以上以上。例如横例如横迳迳（赣南）（赣南）温泉水中温泉水中HCO3含量高达含量高达2253mg/L，强强碱、碱、强强酸水中，酸水中，HCO3极少极少见见。天然

20、水中。天然水中CO32含量一般很低，含量一般很低，但在但在苏苏打水中可达到很高。打水中可达到很高。第32页，共83页。来源来源A）大气中CO2的溶解B）各种碳酸盐类（石灰岩、白云岩、泥灰岩）及胶结物的溶解和溶滤C）岩浆岩与变质岩地区，）岩浆岩与变质岩地区，HCO3主要来自主要来自铝硅酸盐矿物铝硅酸盐矿物的风化溶解的风化溶解3 3）HCO3 和和 CO32第33页，共83页。4）钠离子（Na+）钠离子在低矿化水中的含量一般很低，仅数毫克/升到数十毫克/升，但在高矿化度水中则是主要的阳离子，其含量最高可达数十克/升。B）岩盐矿床及火成岩和变质岩中含钠的矿物的风化、溶解A）来自于海水分布规律分布规律

21、来源来源如钠长石、斜长石、霞石 （钠的铝硅酸盐）第34页，共83页。5）钾离子（K+）钾离子的来源以及在地下水中的分布特点，与钠相近。它来来自含钾盐类沉积岩的溶解，以及岩浆岩、变质岩中含钾矿物的风化溶解。在低矿化水中含量甚微，而在高矿化水中较多。虽然在地壳中，钾的含量与钠相近，钾盐的溶解度也相当大。但是，在地下水中，K+的含量要比Na+少得多，这是因为：K+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）易为植物摄取分布规律及来源分布规律及来源K+与与Na+少的比少的比较较第35页，共83页。6）钙离子（Ca2+）钙是低矿化地下水这的主要阳离子，其含量一般不超过数百毫克/升，在高矿水

22、中，由于阴离子主要是Cl-，而CaCl2的溶解度相当大，故Ca2+的绝对含量显著增大，但通常仍远低于Na+。矿化度格外高的水，钙也可称为主要离子。分布规律分布规律 碳酸盐类沉积物及含石膏沉积物的以及岩浆岩、变质岩中含钙矿物的风化溶解。来源来源第36页，共83页。7）镁离子（Mg2+）Mg2+在地矿化水中含量通常较Ca2+少，通常不成为地下水中的主要离子，部分原因是由于地壳组成中Mg比Ca少。含镁的碳酸盐类沉积（白云岩、泥灰岩），此外还来自岩浆岩、变质岩中含镁矿物的风化溶解。分布规律分布规律来源来源第37页，共83页。3.2.3 地下水中的其它成分地下水中的其它成分1 1）胶体成分）胶体成分硅酸

23、硅酸 弱酸，离解程度很小。弱酸，离解程度很小。在水中的含量一般每升十分之几毫克，少数达几毫克；但在在水中的含量一般每升十分之几毫克，少数达几毫克；但在碱性碱性热热水中，可达到水中，可达到100mg/L。南方多雨潮湿的南方多雨潮湿的结结晶岩地区，在一些低晶岩地区，在一些低矿矿化度水中富集化度水中富集了硅酸了硅酸盐盐型水。型水。粘土粘土矿矿物物即是即是硅硅铝铝酸化合物酸化合物胶体，最胶体，最简单简单的的形式如形式如Al2O32SiO22H2O，硅硅铝铝酸阴离子使粘土胶体离子酸阴离子使粘土胶体离子带带有有负电负电荷荷，是吸附阳离子的主要原因。，是吸附阳离子的主要原因。结合水结合水阳离子交替吸附阳离子

24、交替吸附第38页，共83页。胶体胶体氢氢氧化氧化铁铁在地壳中分布很广，也是在地壳中分布很广，也是铁铁在天然水中存在的主要形式之在天然水中存在的主要形式之一。一。在在还还原原环环境中，地下水中的境中，地下水中的铁铁通常以低价通常以低价Fe2+出出现现，亚铁亚铁离子在水中是离子在水中是不不稳稳定的，极易氧化成定的，极易氧化成氢氢氧化氧化铁铁析出：析出：氢氢氧化氧化铁铁氢氢氧化氧化铝铝 氢氢氧化氧化铝铝胶体主要由胶体主要由铝铝硅酸硅酸盐盐风风化分解而来，但很不化分解而来，但很不稳稳定，容易形定，容易形成水成水矾矾土、叶腊石等此生土、叶腊石等此生矿矿物，物，氢氢氧化氧化铝铝在地下水中含量不高。在地下水

25、中含量不高。第39页，共83页。2 2）有机质）有机质 地下水中的有机地下水中的有机质质大部分大部分由腐殖由腐殖质组质组成成，它是有机，它是有机质经质经微生物微生物分分解后再合成解后再合成的一种褐色或黑褐色的的一种褐色或黑褐色的胶体物胶体物质质。沼。沼泽泽地区的地下水，有机地区的地下水，有机质质含量高，呈酸性，油田水中的有机含量高，呈酸性，油田水中的有机质质含量最高达含量最高达n10-3。大气降。大气降水和海洋水中有机水和海洋水中有机质质含量最少，其他地下水中含量只有含量最少，其他地下水中含量只有n10-5。构成有机构成有机质质的主要元素的主要元素碳、碳、氢氢、氧、氧占占98.5%，此外，此外

26、还还有少量的氮、有少量的氮、磷、硫、磷、硫、钾钾、钙钙等元素。等元素。地下水中有机地下水中有机质质主要主要来源来源是土壤或岩石石油天然气的溶解，是土壤或岩石石油天然气的溶解，细细菌或生物的作用，沿海菌或生物的作用，沿海盐盐水的入侵等。此外工水的入侵等。此外工业废业废水、石油、天然水、石油、天然气、煤等气、煤等矿产矿产开开发发，农业农业灌灌溉溉以及城市以及城市污污染等也能形成有机染等也能形成有机质质。第40页，共83页。3 3）细菌成分（微生物）细菌成分（微生物）地下水中的地下水中的细细菌成分菌成分来自来自生活生活污污水、生物制品、造水、生物制品、造纸纸等各种工等各种工业废业废水，水，这这些些污

27、污水中往往含有个中病原菌，流入水体后会水中往往含有个中病原菌，流入水体后会传传染各种疾病。此染各种疾病。此外，人外，人类类及及动动物的排泄物也能物的排泄物也能产产生致病菌，生致病菌，污污染地下水。染地下水。水的名称菌度/mL卫生的水300比较卫生的水100不可靠的水10不卫生的水1极不卫生的水0.1地下水卫生状况按菌度划分表地下水卫生状况按菌度划分表第41页，共83页。3.2.4 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内容与分类图示1 地下水化学成分的分析内容 2 地下水的总矿化度及化学成分表示式一、离子表示方法1）离子毫克数简分析与全分析地下水补给来源的分析第42页，共83页

28、。2）离子毫克当量数 元素互相化合时，皆以当量为准。以离子在水中的当量数来表示化学成分，可以反映各种离子之间数量关系和水化学性质。离子的当量=离子量（原子量）/离子价1L水中某离子的毫克当量数=该离子的毫克数/该离子的当量 水中阴、阳离子的当量总数应该相等。否则就有错误，或者还有某些离子没有测出。据此原理，可以检查分析成果的正确性。第43页，共83页。3）离子毫克当量百分数 为了将矿化度不同的水进行比较和确定水的化学类型，通常将阴阳离子当量总数各作为100%来计算。离子毫克当量百分数可按下公式计算：第44页，共83页。二、库尔洛夫式表示法 库库尔尔洛夫式是用洛夫式是用分数的形式分数的形式来表示

29、水化学成分的，来表示水化学成分的，分子分子表示阴表示阴离子，离子，分母分母表示阳离子，表示阳离子，单单位位为为毫克当量百分数毫克当量百分数，排列次序从左，排列次序从左到右到右为为含量减少方向。含量减少方向。含量小于含量小于10%毫克当量的离子不列入示内。毫克当量的离子不列入示内。气体成分及特殊气体成分及特殊组组分，分，矿矿化度（化度（M），列），列在在分式的左分式的左边边，单单位位为为g/L，右右边边列上水温（列上水温（t），），pH值值等。等。表示式中各种表示式中各种含量一律含量一律标标于于该该成分符合的右下角成分符合的右下角，将，将右下右下角的角的原子数原子数移至右上角，例如：移至右上角，

30、例如：第45页，共83页。例例题题现现有河北某区水化学分析有河北某区水化学分析结结果如下（果如下（单单位：位：mg/L）离子成分离子成分：K+：27.40，Na+：12.46，Ca2+：66.56，Mg2+：16.14，NH4+：0.28，Cl：35.20，SO42：68.67，HCO3：160.49，NO3：61.66微量微量组组分分：F：0.11，Sr：0.37，H2SO3：17.78，CO2：1.33其他要素：其他要素：M=386.51，pH=7.8，t=20，Q=15.78L/s第46页，共83页。第47页，共83页。第48页，共83页。3）各离子的毫克当量百分数 库尔洛夫式是用分数的

31、形式来表示水化学成分的，分子表示阴离子，分母表示阳离子，单位为毫克当量百分数，排列次序从左到右为含量减少方向。含量小于10%毫克当量的离子不列入示内。表示式中各种含量一律标于该成分符合的右下角，将右下角的原子数移至右上角，例如：第49页，共83页。第50页，共83页。例例题题现现有河北某区水化学分析有河北某区水化学分析结结果如下（果如下（单单位：位：mg/L）离子成分离子成分：K+：27.40，Na+：12.46，Ca2+：66.56，Mg2+：16.14，NH4+：0.28，Cl：35.20，SO42：68.67，HCO3：160.49，NO3：61.66微量微量组组分分：F：0.11，Sr

32、：0.37，H2SO3：17.78，CO2：1.33其他要素：其他要素：M=386.51，pH=7.8，t=20，Q=15.78L/s第51页，共83页。1 溶溶滤滤作用作用1）定义：水与岩土相互作用下，岩土中一部分物质转入地下水中2）结果：岩土失去一部分可溶物质，地下水则补充了新的组分3）溶解的过程4）溶解）溶解与与结结晶晶同同时进时进行行溶解度溶解度5）不同盐类具有不同的溶解度（原因）水是偶极分子结晶格架中的盐类离子不同盐类，结晶格架中离子间的吸引力不同3.3 3.3 地下水的化学成分的形成与演变地下水的化学成分的形成与演变第52页，共83页。6）温度对溶解度的影响 随着温度上升，结晶格架

33、内离子的振荡运动加剧，离子间引力削弱，水的极化分子易于将离子从结晶格架上拉出。因此，盐类溶解度通常随温度上升而增大。但是，某些盐类例外，如 Na2SO4 在温度上升时，由于矿物结晶中的水分子逸出，离子间引力增大，溶解度反而降低；CaCO3 及 MgCO3的溶解度也随温度上升而降低，这与下面所说的脱碳酸作用有关。第53页，共83页。7）溶滤作用的强度（岩土中的组分转入水中的速率）与下列因素有关：组组成岩土的成岩土的矿矿物物盐类盐类的溶解度的溶解度 NaCl与与SiO2比比较较岩土的空隙特征岩土的空隙特征 缺乏裂隙的致密基岩，水缺乏裂隙的致密基岩，水难难以与以与矿矿物物盐类盐类接触，溶接触，溶滤滤

34、作用便也无从作用便也无从发发生生。水的溶解能力决定着溶水的溶解能力决定着溶滤滤作用的作用的强强度度 总总的的说说来，来，低低矿矿化水溶解能力化水溶解能力强强而而高高矿矿化水弱化水弱。水中水中CO2、O2等气体成分的含量决定着某些等气体成分的含量决定着某些盐类盐类的溶解能力的溶解能力 如水中如水中CO2含量愈高，溶解含量愈高，溶解碳酸碳酸盐盐及硅酸及硅酸盐盐的能力愈的能力愈强强。O2的含的含量愈高，水溶解量愈高，水溶解硫化物硫化物的能力愈的能力愈强强。水的流动状况水的流动状况第54页，共83页。水的流水的流动动状况状况 流流动动停滞停滞的地下水，最的地下水，最终终将失去溶解能力，溶将失去溶解能力

35、，溶滤滤作用便告作用便告终终止。止。地地下水流下水流动动迅速迅速，矿矿化度低的、含有大量化度低的、含有大量CO2、O2的大气降水和地表水，不的大气降水和地表水，不断更新含水断更新含水层层中原有的溶解能力已中原有的溶解能力已经趋经趋于于饱饱和的水，溶和的水，溶滤滤作用便持作用便持续续地地强强烈烈发发育。育。地下水的径流与交替强度地下水的径流与交替强度是决定溶滤作用强度的是决定溶滤作用强度的最活跃最关最活跃最关键的因素键的因素8）溶滤作用与纯化学的溶解作用的区别溶溶滤滤作用作用时间上的阶段性时间上的阶段性 溶滤作用是一种与一定的自然地理与地质环境相联系的历史过程。第55页，共83页。经受构造变动与

36、剥蚀作用的岩层，接受来自大气圈及地表水圈的入渗水补给而开始其溶滤过程。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，氯化物最易于由岩层转入水中，而成为地下水中主要化学组分。随着溶滤作用延续，岩层含有的氯化物由于不断转入水中并被水流带走而贫化，相对易溶的硫酸盐成为迁入水中的主要组分。溶滤作用长期持续，岩层中保留下来的几乎只是难溶的碳酸盐及硅酸盐，地下水的化学成分当然也就以碳酸盐及硅酸盐为主了。因此，一个地区经受溶滤愈强烈，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。第56页，共83页。溶溶滤滤作用作用空间上的差异性空间上的差异性难溶离子的相对含量也

37、就愈高 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径流与水交替愈迅速岩层经受的溶滤便愈充分保留的易溶盐类便愈贫乏地下水的矿化度愈低8）溶滤作用与纯化学的溶解作用的区别第57页，共83页。2 浓缩浓缩作用作用 溶滤作用将岩土中的某些成分溶入水中，地下水的流动又把这些溶解物质带到排泄区。在干旱半干旱地区的平原与盆地的低洼处，地下水位埋藏不深，蒸发成为地下水的主要排泄去路。由于蒸发作用只排走水分，盐分仍保留在余下的地下水中，随着时间延续，地下水溶液逐渐浓缩，矿化度不断增大。1）浓缩作用的过程（定义）第58页，共83页。2 浓缩浓缩作用作用2）浓缩作用对地下水矿化度的影响

38、 随着地下水矿化度上升，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。未经蒸发浓缩前随着蒸发浓缩继续浓缩水水“走走”盐盐“留留”第59页，共83页。3）产生浓缩作用必须同时具备的条件干旱或半干旱的干旱或半干旱的气候气候；较较浅的浅的地下水位埋深地下水位埋深；有利于毛有利于毛细细作用作用的的颗颗粒粒细细小的松散岩土；小的松散岩土；空空间间上位于地下水流上位于地下水流动动系系统统的的势汇势汇排泄排泄处处。干旱气候下，浓缩作用的规模从根本上说取决于地下水流动系统的空间尺度以及其持续的时间尺度。第60页，共83页。思考：纯粹的蒸发浓缩作用有什么不同之

39、处？第61页，共83页。水中的CO2溶解度受环境的温度和压力控制。CO2的溶解度随温度升高或压力降低而减少，一部分CO2将成为游离CO2从水中逸出，这便是脱碳酸作用。脱碳酸的结果：地下水中HCO3-及Ca2+，Mg2+减少，矿化度降低：思考：1）深部地下水上升成泉，泉口往往形成钙华（石灰华）2）温度较高的深层地下水3 脱碳酸作用脱碳酸作用第62页，共83页。3 脱碳酸作用脱碳酸作用壮观的黄龙钙华第63页，共83页。3 脱碳酸作用脱碳酸作用 含碳酸氢钙的含碳酸氢钙的地热水地热水接近和出露于地表时，因二氧化碳大量逸出而形接近和出露于地表时，因二氧化碳大量逸出而形成碳酸钙的化学沉淀物。成碳酸钙的化学

40、沉淀物。钙华矿物成分主要为钙华矿物成分主要为方解石方解石和和文石文石；质硬，致密，细晶质，块状，空；质硬，致密，细晶质，块状，空心或实心球状，厚板或薄层，具纤维或同心圆状结构。钙华体形态异离多变，心或实心球状，厚板或薄层，具纤维或同心圆状结构。钙华体形态异离多变，常见钙华锥、丘、扇、钟乳石等。藏北高原龙马尔热泉区的常见钙华锥、丘、扇、钟乳石等。藏北高原龙马尔热泉区的“钙华石林钙华石林”举举世无匹，细高的钙华柱高达世无匹，细高的钙华柱高达7 7米。米。钙华一般为低温地热显示钙华一般为低温地热显示。钙华矿物。钙华矿物以方解石最普遍，当结晶速度较快时，才能产出文石型钙华。泉水中锶以方解石最普遍，当结

41、晶速度较快时，才能产出文石型钙华。泉水中锶离子浓度增加将有利于文石钙华的形成，而碱金属氯化物则不利于文石离子浓度增加将有利于文石钙华的形成，而碱金属氯化物则不利于文石的形成。高温热泉一般沉淀文石，但如二氧化碳不大量逸出，则仅形成的形成。高温热泉一般沉淀文石，但如二氧化碳不大量逸出，则仅形成方解石。天然钙华中未发现球霰石。钙藻的活动对钙华的形成也有一定方解石。天然钙华中未发现球霰石。钙藻的活动对钙华的形成也有一定的影响。的影响。非热泉的碳酸钙化学沉积最好叫石灰华。非热泉的碳酸钙化学沉积最好叫石灰华。第64页，共83页。4 脱硫酸作用脱硫酸作用 在还原环境中，当有有机质存在时，脱硫酸细菌能使SO4

42、2-还原为H2S：结果使地下水中SO42-减少以至消失，HCO3增加，pH值增大。应用举例：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，某些油由水中出现H2S，而SO42含量很低。这一特征可以作为寻找油田的辅助标志。第65页，共83页。5 阳离子交替吸附作用阳离子交替吸附作用定义：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。（1）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：H+Fe3+Al3+Ca2+Mg2+K+Na+离子价愈高，离子半径愈大

43、，水化离子半径愈小，则吸附能力愈大。H+则是例外。第66页，共83页。如：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+便置换岩土所吸附的一部分Na+，使地下水中Na+增多而Ca2+减小。比表面积：固体有一定的几何外形，借通常的仪器和计算可求得其表面积。但粉末或多孔性物质表面积的测定较困难，它们不仅具有不规则的外表面，还有复杂的内表面。通常称1g固体所占有的总表面积为该物质的比表面积S（specificsurfacearea,/g）多孔物比表面积的测量，无论在科研还是工业生产中都具有十分重要的意义。一般比表面积大、活性大的多孔物，吸附能力强。第67页，共83页。（2）阳

44、离子交替吸附作用的规模取决于岩土的吸附能力。岩土的吸附能力决定于岩土的比表面积。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，而在致密的结晶岩中，实际上不发生这种作用。（3）地下水中某种离子的相对浓度增大，则该种离子的交替吸附能力（置换沿途所吸附的离子的能力）也随之越大。当地下下水中Na+为主（海水），而沿途中原来吸附有较多的Ca+？第68页，共83页。6 混合作用混合作用 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，这便是混合作用。范围：海滨、湖畔或河边，地表水往往混入地下水中；深层地下水补给浅部含水层时，则发生

45、两种地下水的混合。当以SO42、Na+为主的地下水，与HCO3、Ca2+为主的水混合时：结果：石膏沉淀析出，形成以HCO3及Na+为主的地下水。两种水的混合也可能不产生明显的化学反应。如：NaCl+Mg(HCO3)2Ca（HCO3）2+Na2SO4CaSO4+2NaHCO3第69页，共83页。7 生物化学作用生物化学作用 地下水中地下水中有机物有机物质质的含量的含量与与微生物的活微生物的活动动，对对地下水化学成分的演地下水化学成分的演变变有特殊的作用。有特殊的作用。许许多研究多研究证证明，无明，无论论是埋藏不深的潜水，是埋藏不深的潜水，还还是循是循环环在在1000m或更大深或更大深度的地下水中

46、，微生物都有能力度的地下水中，微生物都有能力发发展和活展和活动动。微生物微生物还还能能够够适适应应很很宽宽的温度范的温度范围围，即从零下几度到零上，即从零下几度到零上85 微生物分微生物分为为好氧好氧细细菌和菌和厌厌氧氧细细菌两种。菌两种。好氧好氧细细菌菌仅仅仅仅生活在有自由氧存在的地方，它利用氧来呼吸。有自由生活在有自由氧存在的地方，它利用氧来呼吸。有自由氧的条件氧的条件，存在于存在于潜水潜水；厌厌氧氧细细菌菌生活在没有自由氧中，但生活在没有自由氧中，但对对它必它必须须的氧，它可以从有机氧化物中的氧，它可以从有机氧化物中或从或从矿矿物物盐类盐类硝酸硝酸盐盐、硫酸、硫酸盐盐等重取得。存在于封等

47、重取得。存在于封闭闭的的含水含水层层。第70页，共83页。7 生物化学作用生物化学作用1）硫黄细菌，它能使H2S和S氧化成硫酸2H2S+O22H2O+S2S2+3O2+2H2O2H2SO4硫酸又和水中的碳酸盐中和成为硫酸盐沉淀析出：H2SO4+CaCO3CaSO4+H2O+CO22）去硫细菌，脱硫酸作用第71页，共83页。3.4 3.4 不同环境地下水的化学特征与人类生存的分类不同环境地下水的化学特征与人类生存的分类第72页，共83页。1 人人类类活活动动在地下水化学成分形成中的作用在地下水化学成分形成中的作用 1）人类生活与生产活动产生的废弃物污染地下水；工业生产的废气、废水与废渣以及农业上

48、大量使用化肥农药，使天然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；滨海地区过量开采地下水引起海水入侵；滨海地区过量开采地下水引起海水入侵；不合理的打井采水使咸水运移；不合理的打井采水使咸水运移；干旱半干旱地区不合理地引入地表水灌溉，引起大面积次生干旱半干旱地区不合理地引入地表水灌溉，引起大面积次生盐渍化等。盐渍化等。2）人为作用大规模地改变了地下水形成条件，从而使地下水化学成分发生变化。第73页，共83页。2 地下水化学成分地下水化学成分对对人人类类中的作用中的作用 【水质】指水的适用性，即水的物质成分、物理性状、和化学性质及其对于所有可能的用水目的的其质量适应性的综

49、合特征。作为水资源，其量和质的属性是不可分割的，没有量的质和没有质的量都是没有资源意义的。地下水水质在人民生活及国民经济发展中的作用：第74页，共83页。碘，摄入量过低，会引起甲状腺肿大；碘，摄入量过低，会引起甲状腺肿大；氟，氟化物过高，会引起牙齿氟斑，严重的会引起牙氟，氟化物过高，会引起牙齿氟斑，严重的会引起牙齿松动、折断、脱落。过量的氟还会引起骨骼氟中毒，即氟齿松动、折断、脱落。过量的氟还会引起骨骼氟中毒，即氟骨病。氟摄入量过低，又会发生龋齿病。骨病。氟摄入量过低，又会发生龋齿病。硬度，硬度过低，会使心血管疾病的死亡率升高。硬度，硬度过低，会使心血管疾病的死亡率升高。贡，水俣贡，水俣y病。

50、病。放射性放射性1）水质与人体健康第75页，共83页。2）水质与农业生产标标准分准分类类 本本标标准根据准根据农农作物的需求状况，将灌作物的需求状况，将灌溉溉水水质质按灌按灌溉溉作物作物分分为为三三类类：一一类类：水作，如水稻，灌水量：水作，如水稻，灌水量800m3/亩亩年。年。二二类类：旱作，如小麦、玉米、棉花等。灌：旱作，如小麦、玉米、棉花等。灌溉溉水量水量300m3/亩亩年。年。三三类类：蔬菜，如大白菜、韭菜、洋葱、卷心菜等。蔬菜：蔬菜，如大白菜、韭菜、洋葱、卷心菜等。蔬菜品种不同，灌水量差异很大，一般品种不同，灌水量差异很大，一般为为200500m3/亩亩。第76页，共83页。2）水质

51、与农业生产第77页，共83页。2）水质与农业生产第78页，共83页。2）水质与农业生产第79页，共83页。3）水质与工业生产 冷却用水：较冷却用水：较低温低温度，盐类及硬度，浑浊度，硫化氢，酸碱度，盐类及硬度，浑浊度，硫化氢，酸碱类类腐蚀性成分腐蚀性成分。蒸汽锅炉用水：水质蒸汽锅炉用水：水质硬度硬度足够小。足够小。生产技术用水：生产技术用水：纺织纺织工业要求硬度小；工业要求硬度小；淀粉淀粉工业要求不能工业要求不能有毒性和着色成分；有毒性和着色成分；酿制啤酒酿制啤酒用水不能有硫酸钙存在，以保障麦芽用水不能有硫酸钙存在，以保障麦芽发酵；发酵；葡萄酒酿造葡萄酒酿造不允许含有氯化钙和氯化镁，以免影响酵

52、母菌的不允许含有氯化钙和氯化镁，以免影响酵母菌的生长；生长；制糖制糖用水不得含有腐败物质且矿化度要小。用水不得含有腐败物质且矿化度要小。工程建筑：具有侵蚀性的天然水对混凝土及金属结构体会产生溶滤、工程建筑：具有侵蚀性的天然水对混凝土及金属结构体会产生溶滤、分解及结晶膨胀等侵蚀破坏作用。分解及结晶膨胀等侵蚀破坏作用。第80页，共83页。4）水文地球化学找矿 围绕盐矿、油田以及金属矿床，往往形成特定化学元素的分散晕圈，可以作为找矿标志。水文地球化学找矿法，中国地质科学院水文地质工程地质研究所，地质出版社，1977.4水文地球化学找油理论与方法，刘崇禧等编著，地质出版社，1988.8第81页，共83

53、页。5）含有大量盐类的地下水是宝贵的工业原料 Br/溴溴xi：用于水的纯化（游泳池），制二溴乙烯（汽油：用于水的纯化（游泳池），制二溴乙烯（汽油抗爆震音）、阻燃剂以及其它一些溴代有机化合物。抗爆震音）、阻燃剂以及其它一些溴代有机化合物。B/硼硼png：和钛钨一起制轻质抗热合金，也用于抗热玻璃：和钛钨一起制轻质抗热合金，也用于抗热玻璃的制造，眼睛消毒液的配制。的制造，眼睛消毒液的配制。Sr/锶锶s：用于焰火，具有洋红色火焰。也用于核能电池。：用于焰火，具有洋红色火焰。也用于核能电池。6）某些具有特殊物理性质与化学成分的水具有医疗意义第82页，共83页。“地下水的功能主要包括：资源、生态环境因子、灾害因子、地下水的功能主要包括：资源、生态环境因子、灾害因子、地质营力与地质营力与信息载体信息载体。”地下水的地下水的化学成分化学成分是地下是地下水水与与环环境境自然地理、地自然地理、地质质背景背景以及人以及人类类活活动动长长期相互作用的期相互作用的产产物。一个地区物。一个地区地下水的化学面貌地下水的化学面貌，反映了反映了该该地区地区地下水的地下水的历历史演史演变变。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，阐明地下水的起源与形成。7）信息载体 污染物在地下水中散布，同样也会形成晕圈。这对于查明有关物质的迁移、分散规律，确定污染源的位置很有帮助。第83页，共83页。