地下水的物理性质及化学成分

第一节 地下水的物理性质第二章第二章 地下水的物理性质及化学成分地下水的物理性质及化学成分第二节 地下水的化学成分 第三节 地下水化学成分的形成和变化 第四节 地下水化学成分的研究方法第一节第一节 地下水的物理性质地下水的物理性质一、地下水的温度一、地下水的温度二、地下水的颜色二、地下水的颜色三、地下水的透明度三、地下水的透明度四、地下水的嗅（气味）四、地下水的嗅（气味）五、地下水的味（味道）五、地下水的味（味道）六、地下水的比重六、地下水的比重地下水的物理性质包括温度、颜色、透明度、嗅、味、比重、导电性及放射性等。它在一定程度上反映了地下水的化学成分及其存在的环境条件。发挥人的感觉器官，相对应：眼睛看一看（二，三），鼻子闻一闻（四），嘴巴尝一尝（五），触觉体会一下温度（一，六）等。一、地下水的温度一、地下水的温度 水温变化范围可达100以上。在寒带寒带和多年积雪地带，浅层的地下水温可低达-5以下；在温带温带和亚热带的平原、丘陵区浅层地下水的年平均温度一般接近于当地年平均气温；在火山活动地区及地壳深处，地下水的温度很高，可超过100。如我国广东丰良地区在地下800m深处，打出了103.5的热水。地下水温度的差异主要取决于地下水埋藏的地温条件。按地温的分布状态分三带：变温带、常温带、增温带 1）变温带 位于地壳的最表层，其温度变化受太阳辐射热的控制。本带厚度本带厚度各地不一，从十几米到几十米变化，一般为1520m。特点特点具周期性变化：如昼夜昼夜变化、年年变化及多年多年变化等。其温度的变化幅度随深度的增加而递减。此带地下水的温度具有周期性日变化和季节变化的特点。2）常温带 指地温的年变化幅度变化幅度0.1的地带。一般年常温带年常温带的温度温度略高于当地年平均气温，在相当于海平面的地区约高0.8，在海拔200500m的地区约高12。年常温带实质上是实质上是太阳辐射热与地球内热共同影响的热平均带。此带地下水的温度表现为周期性年变化的特点，地下水温度与当地年平均气温相近，水温变化幅度一般不超过1。深度深度与地表温度的年变化幅度、岩石及土壤的物理性质、水文地质条件等因素有关。3）增温带 温度受地球内热的影响。般地，水温随深度增加而增高。计算计算：水温根据地温梯度、年常温带深度及当地年平均气温，概算：（2-1）式中 TH H深度处地下水的温度，；t当地年平均气温，；G地温梯度，/100m。一般值为4/100m；H地下水循环深度，m；h年常温带的深度，m。可反求出地下水循环的深度。GhHtTH 地温梯度随地区地质条件的不同而不同，如淮南煤田潘集井田、邯邢煤田的梧东井田以及平顶山煤田等，经大量钻孔证实，背斜轴部地温往往高于两翼。如平顶山煤田在背斜轴部的平均地温梯度为56/100m，向两翼逐渐降低；梧东井田断层上盘温度低于断层下盘，其地温值受到断层面的控制。不同地区的地温梯度变化于10/100m之间。地下水的温度对地下水的化学成分有很大影响。水温增高，化学反应速度和溶解度也增高。如水温增高10时，水分子的扩散速度约增加20，化学反应速度增加23倍。一般盐类在水中的溶解度随温度的增高而增大。过 冷水0冷水 020热水 低 温热水 2040中 温热水 4060中 高温热水6080按地下水的温度分二、地下水的颜色二、地下水的颜色 地下水一般是无色的水中含有成分成分呈现色泽呈现色泽H2S翠绿色含低铁Fe2+浅绿灰色含高铁Fe3+黄褐色或锈色硫细菌红色锰的化合物暗红色腐植酸暗或黑黄色带荧光粘土无荧光的淡黄色悬浮物悬浮物本身的颜色三、地下水的透明度三、地下水的透明度 常见的地下水一般是透明的 透明度取决于:固体与胶体悬浮物的含量。按透明度地下水分四、地下水的嗅（气味）四、地下水的嗅（气味）一般地下水是无嗅的含气体含气体或有机质或有机质具特殊的气味具特殊的气味H2S腐蛋味含低铁Fe2+铁腥味有机质鱼腥臭味腐植质沼泽味“气味”的强弱与温度有关，鉴别气味时，一般将水加热至40，这时气味最为显著。低温时气味不易嗅别 五、地下水的味（味道）五、地下水的味（味道）水中含盐分（各种物质，矿化度）过低时水淡而无味，过多时水不适口。水中含有化学成分成分味道味道NaCl咸味Na2SO4涩味MgCl2、MgSO4苦味铁较多铁锈味CO2水味清凉可口六、地下水的比重六、地下水的比重 地下水的比重近于1：取决于水中所含盐分的多少。当水中溶解了较多的盐分时，比重可达。地下水的导电性及放射性：导电性取决于含电解质的数量与性质（即各种离子的含量与离子价），离子含量越多，离子价越高，则水的导电性就越强。放射性取决于其中放射性物质的含量，地下水不同程度上或多或少地都具有放射性，但其含量一般极微，循环于放射性矿床的地下水其放射性相应增强。第二节第二节 地下水的化学成分地下水的化学成分一、地下水的化学成一、地下水的化学成分分60多种二、地下水的化学性质二、地下水的化学性质（一）地下水中的主要离子成分 7（二）地下水中的主要气体成分（三）地下水中的胶体成分（四）地下水中的有机质及细菌成分1.地下水的酸碱性 ph2.地下水的总矿化度 M3.地下水的硬度 4.地下水的侵蚀性1 1氯离子（氯离子（ClCl-）2 2硫酸根离子（硫酸根离子（SOSO4 42-2-）3 3重碳酸根离子（重碳酸根离子（HCOHCO3 3-）4 4钠离子（钠离子（NaNa+）5 5钾离子（钾离子（K K+）6 6钙离子（钙离子（CaCa2+2+）7 7镁离子（镁离子（MgMg2+2+）.常见的离子成分常见的离子成分（一）地下水中的主要离子成分Cl-、SO42-、HCO3-、K+、Na+、Ca2+、Mg2+这七种，占绝对优势其决定地下水化学成分的基本类型和特点。1 1.氯离子（氯离子（ClCl-）分布很广，含量变化大，数mg/L至数百mg/L。源于岩盐矿床和其它含氯化物的沉积岩的溶解，其次来源于岩浆岩的一些含氯矿物如氯磷灰石（Ca5(PO4)3Cl）、方钠石（NaAISiO4NaCl）等矿物的风化溶滤。此外废水、污水的渗入，动物排泄物和动物尸体腐烂 一般在居民点、工业区及其附近，地下水中Cl-含量往往相应增高。2 2.硫酸根离子（硫酸根离子（SOSO4 42-2-）SOSO4 42-2-分布较广，含量较多，几分布较广，含量较多，几mg/Lmg/L至数十至数十mg/Lmg/L来源：来源：SOSO4 42-2-源于石膏及其它含硫酸盐的沉积物的溶解，源于石膏及其它含硫酸盐的沉积物的溶解，其次源于天然硫及含硫矿物（如黄铁矿等）的氧化：源于天然硫及含硫矿物（如黄铁矿等）的氧化：2FeS2FeS2 2+7O+7O2 2+2H+2H2 2O2FeSOO2FeSO4 4+4H+4H+2SO+2SO4 42-2-2S+3O 2S+3O2 2+2H+2H2 2O4HO4H+2SO+2SO4 42-2-此外，有机物的分解。，有机物的分解。在居民点附近地下水中的在居民点附近地下水中的SOSO4 42-2-含量较高，常常与地下水的污染有关。含量较高，常常与地下水的污染有关。3.重碳酸根离子（HCO3-）HCO3-分布广，含量不高，一般1g/L。HCO3-是低盐量地下水的主要成分。来源:碳酸盐类如石灰岩、白云岩或泥灰岩的溶解：CaCO CaCO 3 3+H+H2 2O+CO O+CO 2 2 Ca Ca2 2+2HCO+2HCO3 3-CaMgCaMg（COCO3 3）2 2 +2H+2H2 2O+2CO O+2CO 2 2 CaCa2+2+Mg+Mg2+2+4HCO+4HCO3 3-阴离子中，由于氯化物的溶解度大，CI-含量随地下水中含盐量的增加而增大；而碳酸盐的溶解度很低，只有当水中存在CO2时才较易溶于水，所以HCO3-的含量一般不高。基于这个原因，常常将Cl-、HCO3-作为地下水含盐量多寡的标志。以Cl-为主要成分的地下水，其含盐量较高，为咸水；以HCO3-为主要成分的地下水，其含盐量较低，为淡水。4.钠离子(Na+)分布很广，含量变化大，数mg/L至数十g/L，具有随地下水含盐量增高而增加的特点。Na+主要来源于岩盐及含钠盐的海相沉积岩的溶解，其次来自岩浆岩、变质岩中含钠矿物的溶解和氧化，如钠长石（NaAlSi3O8）的风化：2NaAlSi2NaAlSi3 3O O8 82H2H2 2O OCOCO2 2 H H2 2AlAl2 2SiSi2 2O O8 8HH2 2O ONaNa2 2COCO3 34SiO4SiO2 2 NaNa2 2COCO3 3H H2 2O 2NaO 2Na+HCOHCO3 3-OHOH-NaNa+在水中主要与Cl-伴存，有时也与SO42-及CO32-伴存。5.钾离子（K+）K+的来源与Na+相同。钾盐的溶解度很大，但含量却不高，常为Na+含量的410，这是因为K+易被植物吸收，易被粘土胶体吸附，同时还易生成不溶于水的次生矿物（如水云母）的缘故。6.6.钙离子（钙离子（CaCa2 2+）Ca2+分布很广，绝对含量不高，是含盐量低的地下水中的主要成分。主要来源于碳酸盐类岩石（如石灰岩、白云岩）及含石膏岩石的溶解，Ca2+在水中常与HCO3-及SO42-伴存。7.镁离子（Mg2+）Mg2+分布广，但绝对含量不高。Mg2+主要来源于白云岩的溶解以及岩浆岩、变质岩中含镁矿物的风化：MgSiO3（顽火辉石）（顽火辉石）+H2O+CO2 MgCO3+H2SiO3 MgCO3+H2O+CO2 Mg2+HCO3-镁盐的溶解度大于钙盐，Mg2+常少于Ca2+因为因为镁在地壳中的含量较钙少，同时镁又易为植物吸收，并参与许多硅酸生成的缘故（二）地下水中的主要气体成分地下水中的主要气体成分有O2、N2、CO2、H2S及CH4等。O2、N2主要来源大气及含叶绿素细菌的生物活动.因此在近地表的地下水中，O2、N2含量较大，越往深处，其含量越小。H2S、CH4 4通常是在缺氧的条件下（如封闭的地质构造中），当有机物存在时的生物化学还原作用的产物。H2S、CH4常见于深层地下水中，在油田水中其含量往往较高。CO2来源复杂，1）大气，2）土壤的生物化学作用生成。3）在火山或岩浆活动地带，碳酸盐遇热分解，生成：CaCO3 CaO+CO2 水中气体成分的不同能反映地下水成因。如水中气体以O2及N2为主，说明是以大气降水渗入补给形成；水中含CH4、H2S较多，说明储存于封闭的地质构造中。在水文地球化学环境的研究过程中，地下水中溶解氧的研究有很大意义，含溶解氧多的地下水说明其处于氧化环境，含H2S多的水说明其处于缺氧的还原环境。（三）地下水中的胶体成分 地下水中胶体成分虽然很多，但由于许多胶体不稳定，地下水中胶体成分虽然很多，但由于许多胶体不稳定，易生成次生矿物而沉淀（如易生成次生矿物而沉淀（如A A(OH)(OH)3 3胶体易生成水矾胶体易生成水矾土、叶腊石沉淀），有的胶体溶解度很小（如土、叶腊石沉淀），有的胶体溶解度很小（如SiOSiO2 2），），故一般胶体在地下水中含量很低。地下水中的胶体成故一般胶体在地下水中含量很低。地下水中的胶体成分主要来源于有关矿床的风化分解。分主要来源于有关矿床的风化分解。（四）地下水中的有机质及细菌成分（四）地下水中的有机质及细菌成分有机质及细菌成分很广，浅层、深层地下水（尤其在油田水）中。有机质及细菌成分很广，浅层、深层地下水（尤其在油田水）中。主要来源于生物遗体的分解，它多富集于土壤及沼泽水中，呈黄色、褐色或灰黑色，并有特殊嗅味。细菌可分为病源菌和非病源菌。细菌可分为病源菌和非病源菌。病源菌一般来自污染，其中最常见病源菌一般来自污染，其中最常见的是伤寒、霍乱、痢疾等，它们不易分离鉴定，因此，常以检查与的是伤寒、霍乱、痢疾等，它们不易分离鉴定，因此，常以检查与这些病源菌这些病源菌共生的大肠杆菌共生的大肠杆菌，来间接鉴定病源菌的存在及其数量。，来间接鉴定病源菌的存在及其数量。非病原细菌，如脱硫细菌，硫磺细菌等，它们生存于一定的地球化非病原细菌，如脱硫细菌，硫磺细菌等，它们生存于一定的地球化学环境中，通过生物化学作用，影响地下水化学成分的变化学环境中，通过生物化学作用，影响地下水化学成分的变化。二、地下水的化学性质二、地下水的化学性质包括水的酸碱性、矿化度、硬度、侵蚀性等。1.地下水的酸碱性:取决于水中H+浓度。pH值图图2-1 2-1 水中水中CO2、HCO3、CO32与与pH值值的关系的关系地下水分类pH值强酸性水5弱酸性水57中性水=7弱碱性水pH=79强碱性水9从图中可以看出从图中可以看出 pHpH值不同，水中碳酸量也不同。值不同，水中碳酸量也不同。随随pHpH值增高，水中值增高，水中HCOHCO3 3-含量增大，含量增大，COCO2 2含量减小。含量减小。但当但当pHpH8 8 时，随时，随pHpH值增高水中值增高水中 HCOHCO3 3-含量减小，含量减小，而而COCO2 2 含量却增高。含量却增高。2.地下水的总矿化度地下水中离子、分子和各种化合物的总量称为总矿化度总矿化度。以g/L表示,它表示水中含盐量的大小。测量:通常以在105110温度下将水蒸干后所得的干涸残余物含量来表示水的总矿化度。计算：也可以用离子、化合物总含量计算，但在计算时，HCO3-只能采用半数，这是因为水蒸干后一部分HCO3-分解，逸出之量相当于HCO3-之量的一半：2 HCO3-CO32-+CO2+H2O地下水的矿化度与化学成分有密切关系，低矿化水常以HCO3-为主要成分，高矿化水常以 Cl-为主要成分。此外，矿化度常随含水层埋藏深度的增加而增大。M分类M值低矿化水（淡水 1g/L弱矿化水（微咸水13 g/L 中等矿化水（半咸水 310 g/L 高矿化水（咸水1050 g/L 卤水 50 g/L 3.地下水的硬度地下水的硬度是由水中所含Ca2+、Mg2+量所构成。总硬度：相当于水中所含Ca2+、Mg2+总量。暂时硬度：将水加热至沸腾，水中的部分Ca2+、Mg2+将与HCO3-作用生成CaCO3、MgCO3沉淀，使水中Ca2+、Mg2+含量减少：Ca2+2 HCO3-CaCO3+CO2+H2O Mg2+2HCO3-MgCO3+CO2+H2O减少的这部分Ca2+、Mg2+的含量，称为暂时硬度。永久硬度：水中与SO42-、Cl-等离子相对应的Ca2+、Mg2+的含量，这部分含量在水加热至沸腾时也不发生沉淀。关系:永久硬度总硬度暂时硬度 碳酸盐硬度：水中与HCO3-相对应的Ca2+、Mg2+的含量。水的碳酸盐硬度往往大于暂时硬度，因为即使在水沸腾时，水中HCO3-不可能全部同Ca2+、Mg2+发生作用而形成沉淀。德国度表示法，Ca2+、Mg2+毫克数表示法 Ca2+、Mg2+毫克当量百分数表示法。概念：一个德国度相当于一个德国度相当于10mg/L的的CaO含量，或的含量，或的Ca2+含量，或的含量，或的Mg2+含量。含量。关系：1毫克当量的硬度德国度硬度分类毫克当量/L极软水 1.5软水1.53.0微硬水3.06.0硬水6.09.0极硬水9.0地下水硬度的表示方法和分类 4.4.地下水的侵蚀性地下水的侵蚀性指水对碳酸盐类物质（如石灰岩、混凝土）的侵蚀能力。分为碳酸性侵蚀（分解性侵蚀）、硫酸性侵蚀（结晶性侵蚀）及镁化性侵蚀。1 1）碳酸性侵蚀碳酸性侵蚀 主要取决于水中侵蚀性主要取决于水中侵蚀性COCO2 2的存在及其含量的多少。的存在及其含量的多少。水中含有游离水中含有游离COCO2 2，当与碳酸盐类物质接触时，发生化学反应：，当与碳酸盐类物质接触时，发生化学反应：CaCOCaCO3 3+H H2 2O O+COCO2 2CaCa2+2+2HCO2HCO3 3-这是一个可逆反应。当水中有一定数量的HCO3-存在时，就必须有一定数量的溶解于水的CO2与之平衡。凡是溶解于水中的CO2，称为游离游离COCO2 2。如果游离 CO2的含量能使上述反应式既不向左也不向右进行，即反应达到平衡状态时，这时的CO2 称为平衡平衡COCO2 2；如果水中的游离CO2 含量超过平衡CO2 时，上述反应就要向右进行，即当遇到CaCO3物质时，就要发生溶解，而使水中HCO3-增加，以趋达到新的反应平衡。因此，水中超过平衡量的那一部分CO2，其中要有一部分用于新增加的HCO3-的平衡，而另一部分CO2 则消耗于对碳酸盐的溶解这被消耗的CO2 称为侵蚀性侵蚀性COCO2。地下水中有一定量的侵蚀CO2 存在，水便具有侵蚀性。水中侵蚀性CO2 含量一般用实测方法确定也可从图2-2中查出近似值。水中侵蚀性水中侵蚀性COCO2 2与游离与游离COCO2 2含量关系含量关系2）硫酸性侵蚀 当SO42-2-含量大的水渗入碳酸盐类物质中时，便产生硫酸性侵蚀。它是由于SO42-与碳酸盐物质中的一些组份发生化学作用形成结晶的硫酸盐，在这种新的化合物形成过程中，体积膨胀，从而对碳酸盐类物质产生破坏：4CaOAl 2O3 12H 2O+3CaSO4nH2O3CaOAl2O3 3CaSO 4 30H2O+Ca(OH)2 (杰瓦盐)石膏是形成“杰瓦盐”的中间产物。在“杰瓦盐”的形成过程中，其体积成倍增大，对碳酸盐岩或混凝土起着破坏作用。3）镁化性侵蚀 水中含有大量Mg2+时，将产生镁化性侵蚀。含有大量镁盐（如MgCl2）的水，对水泥的破坏表现为MgCl2与混凝土中结晶的Ca(OH)2起交替反应，结果形成Mg(OH)2和易溶于水的CaCl2而破坏混凝土。此外，当水中含有大量的O2、H2S，且pH值较低时，对金属铁管有较强的腐蚀作用。第三节第三节 地下水化学成分的形成和变化地下水化学成分的形成和变化 地下水的化学成分是极为复杂的。不同成因的地下水，地下水的化学成分是极为复杂的。不同成因的地下水，其原始成分不同。同一成因的地下水，由于后期循环过程中其原始成分不同。同一成因的地下水，由于后期循环过程中地质条件的不同，可使其成分发生各种不同的变化。地质条件的不同，可使其成分发生各种不同的变化。可分三部分可分三部分 一、一、不同成因地下水的原始化学成分不同成因地下水的原始化学成分二、地下水化学成分的形成与变化作用二、地下水化学成分的形成与变化作用三、影响地下水化学成分形成的因素三、影响地下水化学成分形成的因素 地下水的成因有渗入、凝结、埋藏等。地下水源于地下水源于：大气降水渗入或水汽凝结的：原始成分继承渗入或凝结水源的基本特点，一般M都较低，且富含O2、N2、CO2等气体；地表水渗入的地下水与地表水成分特点相近似，它可以近似河、湖淡水而富含HCO3-成为低矿化水，可以近似海水而富含Cl-成为高矿化水；古沉积盆地中的埋藏水，其化学成分与海、湖水相近，由Cl-、Na+组成其主要离子，并含有Br、B、I等微量元素。后来地质变质，比比现代海水M更高（达数百g/L,现代海水常35g/L），微量元素也较高，长期封闭的还原环境，SO42-极少，而H2S含量增高。Ca2+含量较多；岩浆分异及岩石变质分解的水，研究不多，仅根据间歇泉观察，知温度高，矿化度低，富含Si，B，F等微量元素，及CO2、H2、CH4、H2S、NH3等气体。地下水化学成分的形成与变化作用地下水化学成分的形成与变化作用1.水与岩石的相互作用水与岩石的相互作用2.地下水在自然环境中的物理、化学作用地下水在自然环境中的物理、化学作用3.地下水中微生物与有机质的生物化学作用地下水中微生物与有机质的生物化学作用1）溶滤作用）溶滤作用 2）阳离子的交替吸阳离子的交替吸附作用附作用 1）溶滤作用 是岩石中的一部分物质进入水中的作用。最基本作用。它破坏矿物矿物结晶格架而使一部分元素进入水中；对岩石岩石，它将可溶部分带走 溶滤与溶解的区别区别：溶解是全部物质进入水中，溶滤是部分物质进入水中。广义来说，溶滤作用包括溶解作用。在风化壳中最广。地下水交替循环强烈，溶滤作用的地下水成分，与地下水的周围介质岩石的性质关系密切。如石灰岩区地下水多为低矿化的HCO3-Ca型水；花岗岩往往是HCO3-Na型水；富含石膏的沉积岩中的地下水SO42-及Ca2+含量常常较高；火山地区的地下水中F、B、Li等微量元素含量明显增高；在有金属硫化矿床的地带，地下水中SO42-含量较高，且常含有某些金属元素，如Cu、Pb、Zn、Si、Ni等。这些金属元素在水中往往成为“水晕”，常可以据此找到这些原生矿床。根据各种盐类在蒸馏水中的溶解度，可将化根据各种盐类在蒸馏水中的溶解度，可将化合物划分为以下几类：合物划分为以下几类：（1）极易溶解的（极易带出的）化合物 属于这类的有K和Na的卤化物、硫酸盐、碳酸盐、氟酸盐、硅酸盐和硼酸盐等。（2）溶解的（可带出的）化合物 属于此类的有Ca、Mg、Ni、Zn、Fe、Mn、Cu的卤化物和重碳酸盐类。（3）难溶解的（带出微弱的）化合物 属于此类的有Sr的硫酸盐，Ba、Sr、Zn、Ag的碳酸盐和SiO2。（4）最难溶的（活动性小的）化合物 属于此类的有Pb、Cu、Ba的碳酸盐，Zn、Cu、Mg的硅酸盐及AgCl等。（5）不溶解的（稳定的）化合物 属于此类的有Fe、Mn、Ti、Co的氢氧 地下水所处的环境（温度、压力）各处是不同的。元素从风化壳岩石中被水带出的能力，可用水迁移系数（Kx）来衡量。水迁移系数是指元素在水中的干涸残渣的含量与这种元素在该区域岩石中含量之比。Kx值越大，说明元素在风化壳中被带出的能力越强。从表2-1可清楚地看出，Cl、S最易从风化壳中被水带出，Ca、Mg、Na、F次之，Si、Ni、Cu、Co、Mo、Mn较弱，最弱是Fe、Al、Ti、Sc、Zr等，它们以溶解的状态迁移的能力很弱，甚至不迁移。元素迁移系列元素迁移系列水迁移系数值1000 100 10 1 0.1 1000 100 10 1 0.1 0.01 0.0010.01 0.001最易带出的最易带出的ClCl，BrBr，I I，S S易带出的易带出的Ca，Mg，Na，F(Sr，K，Zn)活动的活动的Cu，Ni，Co，Mo(?)，V(?)，Mn，Si，P 惰性或完全不惰性或完全不活动的活动的Fe，Al，Ti，Sc，Z，rHf，Nb，Ta，Rn，Re，Ir，Pb，Sn上述元素在风化壳中以水溶液的形式进行迁移的性质，还决定于地质条上述元素在风化壳中以水溶液的形式进行迁移的性质，还决定于地质条件及气候条件。如一些极难溶的金属硫化物，在地质历史进程中由于长件及气候条件。如一些极难溶的金属硫化物，在地质历史进程中由于长期的物理化学作用的结果，使其发生氧化形成硫酸盐类，而变得易于迁期的物理化学作用的结果，使其发生氧化形成硫酸盐类，而变得易于迁移；又如在沼泽地区，移；又如在沼泽地区，FeFe、MnMn就很容易从风化壳中浸出，使水中就很容易从风化壳中浸出，使水中FeFe、MnMn含量增高，因此上述系列在不同条件下是可以改变的。含量增高，因此上述系列在不同条件下是可以改变的。2）阳离子的交替吸附作用阳离子的交替吸附作用 土壤和岩石表面常带负电荷，吸附阳离子，水中的离子与岩、土表面吸附的离子之间，常发生互相置换，从而改变地下水成分和性质，这种作用称为阳离子阳离子交替吸附作用交替吸附作用（又称胶体吸附作用）。交替吸附作用的强弱，取决于岩、土对离子吸附能力的强弱以及水中离子成分、浓度和离子价的大小。岩、土吸附能力的强弱与其比表面积表面积大小相对应。颗粒越细小，则比表面积越大，其吸附能力越强；水中离子离子浓度浓度越大，越易被吸附；离子价越高离子价越高，越易被吸附。离子被吸附的能力强弱顺序如下：Fe3+A13+Ba2+Ca2+Mg2+K+Na+Ca2+的吸附能力大于Na+，常见地下水中的Ca2+交替吸附在岩石颗粒表面的Na+：Ca2+（水中）2Na+（吸附的）2Na+（水中）Ca2+（吸附的）2.2.地下水在自然环境中的物理、化学作用地下水在自然环境中的物理、化学作用在温度、压力及地质构造等因素的影响下，发生蒸发浓缩、脱碳酸、混合作用1）蒸发浓缩作用 在干旱、半干旱地区潜水，如我国西北、华北、东北地区发育的盐碱土，浅层地下水的水分，在太阳辐射热能下升温蒸发，水溶液逐渐浓缩。钙的碳酸盐溶解度低，达到饱和沉淀析出，M逐渐增高。低M的HCO3-Ca型演化成中M的SO4-Ca型，最后为高M的ClSO4-Na型水。蒸发浓缩引起地下水化学成分演变，在时间和空间上是连续的。矿化度逐渐增高，易溶盐类逐渐在水中富集，某些盐类从水中沉淀析出系列见图2-3。同时，水中的一些重金属元素如Fe、Zn、Cu及一些微量元素如F、Br、I、Li等含量也明显增高。图图2-3 2-3 蒸发时从水溶液中沉淀连续析出系列蒸发时从水溶液中沉淀连续析出系列蒸发浓缩作用深度不超过年常温带的深度。但地下水的活蒸发浓缩作用深度不超过年常温带的深度。但地下水的活动及化学元素的扩散作用，影响深部地下水。如常温带以动及化学元素的扩散作用，影响深部地下水。如常温带以下，地温增高，地下水受热汽化，提高地下水的化学成分下，地温增高，地下水受热汽化，提高地下水的化学成分浓度，汽化的水沿裂隙上升，形成低矿化水浓度，汽化的水沿裂隙上升，形成低矿化水2 2）混合作用混合作用 两种以上成分不同的地下水相遇后，其化学成两种以上成分不同的地下水相遇后，其化学成分和矿化度都发生了变化，这种作用称为混合作用。分和矿化度都发生了变化，这种作用称为混合作用。如在海岸、河岸、深部卤水、热水及矿泉出露的地方以及各含水层之间发生互补时，在人为因素灌溉水的渗入、在海岸附近开采淡水引起海水侵入等。各种水混合时：简单的物理混合，或是化合的化学反应。各种水混合时：简单的物理混合，或是化合的化学反应。当参与混合的两种水中盐类的阴、阳离子的引力大致相等时，离当参与混合的两种水中盐类的阴、阳离子的引力大致相等时，离子之间在碰撞过程中，就不会形成新的内聚力比原有盐类大的化子之间在碰撞过程中，就不会形成新的内聚力比原有盐类大的化合物，这时只有简单的混合；合物，这时只有简单的混合；当参与混合的水中离子的引力不平衡，则可产生新的化合物。不当参与混合的水中离子的引力不平衡，则可产生新的化合物。不同矿化度的水混合时，简单混合与反应混合常同时并存，还可能同矿化度的水混合时，简单混合与反应混合常同时并存，还可能伴有其它作用，如交替吸附作用等，使混合物的成分变得复杂。伴有其它作用，如交替吸附作用等，使混合物的成分变得复杂。3.3.地下水中微生物与有机质的生物化学作用地下水中微生物与有机质的生物化学作用指有细菌参与的一些氧化还原作用。在强烈的还原条件下，脱硫细菌可使硫酸还原成H2S气体，使水中SO42-减少，HCO3-增加，即发生脱硫酸作用：SO42-2C2H2OH2S2HCO3-在缺氧并有有机质存的封闭地质构造（如储油构造）中。在氧化环境中，喜氧的细菌（如硫磺细菌）能使H2S及S氧化成硫酸：2H2H2 2S SO O22H2H2 2O O2S2S2S2S3O3O2 22H2H2 2O4HO4H+2SO2SO4 42-2-3 3）脱碳酸作用脱碳酸作用 碳酸盐类，当温度升高或压力减小时，水中CO2从水中逸出，水中的HCO3-与Ca2+、Mg2+结合形成沉淀，这种使水中HCO3-含量（同时也是Ca2+、Mg2+含量）减少的作用称为脱碳酸脱碳酸作用作用。如某些泉附近的钙华沉积，石灰岩溶洞中的石钟乳、石笋等的形成均与这种作用有关。溶解度取决于水中所含CO2的数量三、影响地下水化学成分形成的因素三、影响地下水化学成分形成的因素形成和改变地下水化学成分的作用能否进行及强度取决于地形成和改变地下水化学成分的作用能否进行及强度取决于地下水存在的环境条件。下水存在的环境条件。即地质条件、自然地理条件及人类和微生物活动。即地质条件、自然地理条件及人类和微生物活动。1.地质条件地质条件 指指岩性及地质构造。岩性对溶滤作用的影响明显，地下水，岩性及地质构造。岩性对溶滤作用的影响明显，地下水，一定含有与围岩岩性相似的成分。一定含有与围岩岩性相似的成分。在开放的隆起构造区，形成氧化环境，溶滤作用；在开放的隆起构造区，形成氧化环境，溶滤作用；在封闭的向斜构造盆地中，地下水交替迟缓，盐分易于聚在封闭的向斜构造盆地中，地下水交替迟缓，盐分易于聚集，矿化度增加，利于脱硫酸作用；集，矿化度增加，利于脱硫酸作用；在构造变动剧烈的地带，往往发育深大断裂和构造破碎带，在构造变动剧烈的地带，往往发育深大断裂和构造破碎带，它们不仅影响着水的交替，同时也能将浅部地下水与深部它们不仅影响着水的交替，同时也能将浅部地下水与深部地下水沟通，促使混合作用的形成和发展。地下水沟通，促使混合作用的形成和发展。2.自然地理条件自然地理条件 1）气候因素气候因素 蒸发和降水对溶滤作用、蒸发浓蒸发和降水对溶滤作用、蒸发浓缩及生物化学作用均影响。缩及生物化学作用均影响。2）水文因素水文因素 地表水与地下水补给关系地表水与地下水补给关系 3)地形因素地形因素 地形的起伏影响地下水的交替强度，地形的起伏影响地下水的交替强度，影响地下水的化学成分。在切割强烈的山区，地影响地下水的化学成分。在切割强烈的山区，地下水径流条件好、大，利于溶滤作用，溶滤出来下水径流条件好、大，利于溶滤作用，溶滤出来的化学成分又能很快被水带走，低的化学成分又能很快被水带走，低M的的HCO3型型水。在地势平坦或较低洼的地带，盐分堆积，水。在地势平坦或较低洼的地带，盐分堆积，M较高。较高。4)生物作用生物作用 动物排泄物中的动物排泄物中的Cl-、植物分泌有机、植物分泌有机酸等酸等3.人类的活动人类的活动 人类利用和改造自然的过程中，影响很大人类利用和改造自然的过程中，影响很大 灌溉不当时，过多的地下水渗入地下，抬高了地下水位，使蒸发作用加强，促使地下水发生浓缩作用；由于工业三废（废水、废气、废渣）农业大量施用化肥，使其中的有害元素和成分（如酚、氰、砷、汞、锌、铅、铬、锰、铜、亚硝酸等）进入土壤和水体，会使地下水化学成分发生改变；生活废水及人类的排泄物渗入地下进入地下水中，也造成地下水化学成分的变化。在实际工作中，对于地下水化学成分形成、变化的认识，在实际工作中，对于地下水化学成分形成、变化的认识，应分析水化学成分的特点与地下水的补给、径流、排泄之间的应分析水化学成分的特点与地下水的补给、径流、排泄之间的联系。同时地下水化学成分是自然历史过程中的产物，因此必联系。同时地下水化学成分是自然历史过程中的产物，因此必须研究自然地质历史环境（地质、地貌的发展历史），综合分须研究自然地质历史环境（地质、地貌的发展历史），综合分析才能正确认识地下水化学成分形成的主导作用，并预测地下析才能正确认识地下水化学成分形成的主导作用，并预测地下水化学成分的变化趋势。水化学成分的变化趋势。第四节第四节 地下水化学成分的研究方法地下水化学成分的研究方法一一、水质分析、水质分析 取水样1.简分析简分析2.全分析全分析3.专门分析专门分析二二、水质分析成果的表示方法、水质分析成果的表示方法1.离子毫克数表示法离子毫克数表示法2.离子毫克当量表示法离子毫克当量表示法3.离子毫克当量百分数表示法离子毫克当量百分数表示法4.库尔洛夫式表示法库尔洛夫式表示法5.图示法图示法三、三、化学元素之间的比例系数在地下水化学成分研究化学元素之间的比例系数在地下水化学成分研究中的意义中的意义四、四、思考题思考题1.简分析 了解区域地下水化学成分的一般特征及其变化规律。了解区域地下水化学成分的一般特征及其变化规律。特点是分析项目少，精度要求低，设备简单，分析是分析项目少，精度要求低，设备简单，分析速度快，可在野外就地进行。速度快，可在野外就地进行。简易水质分析箱。简易水质分析箱。简分析项目：除物理性质以外，一般只测定地下水简分析项目：除物理性质以外，一般只测定地下水的主要成分如的主要成分如Ca2+、Mg2+、HCO3-、SO42-及及pH值、值、总矿化度、总硬度等。总矿化度、总硬度等。通过计算求得水中通过计算求得水中K+Na含量，并定性分析水中含量，并定性分析水中NO3-、NO2-、NH4+、Fe3+、Fe2+、H2S及及CO 2等。等。为了检查和校核简分析结果，可取一定数量的水样为了检查和校核简分析结果，可取一定数量的水样作全分析。作全分析。2.全分析全分析 全分析是在室内实验室进行的分析。全分析是在室内实验室进行的分析。不是对所有成分都分析，项目较全、精度高。不是对所有成分都分析，项目较全、精度高。除简分析项目外还除简分析项目外还包括包括：K+、Na+、Ca2+、Mg2+、NH4+、Fe2+、Fe3+、HCO3-、SO42-、Cl-、CO32-、NO2-、NO3-、pH值、值、H2S、CO2、总硬度、耗氧量、总硬度、耗氧量、干涸残余物、灼热残渣、悬浮物、可溶性硅酸干涸残余物、灼热残渣、悬浮物、可溶性硅酸H3SiO4等。等。3.专门分析 专门分析是根据研究工作任务的目的要求而进行专门分析是根据研究工作任务的目的要求而进行的特定项目的分析。的特定项目的分析。如为寻找饮用水时，须进行细菌分析及有毒成分如如为寻找饮用水时，须进行细菌分析及有毒成分如As、Pb、F、Hg等项目的分析；等项目的分析；在工程建设中，须对地下水进行侵蚀性测定分析；在工程建设中，须对地下水进行侵蚀性测定分析；寻找多金属矿床时，要求进行寻找多金属矿床时，要求进行pH值、值、SO42-、Cl-及重金及重金属或稀有微量元素分析等。属或稀有微量元素分析等。二、水质分析成果的表示方法二、水质分析成果的表示方法 有有离子毫克数表示法、离子毫克当量表示法、离子毫离子毫克数表示法、离子毫克当量表示法、离子毫克当量百分数表示法、库尔洛夫式表示法及图示法等。克当量百分数表示法、库尔洛夫式表示法及图示法等。1.离子毫克数表示法离子毫克数表示法离子在水中的绝对含量（离子在水中的绝对含量（mg/L）2.离子毫克当量表示法离子毫克当量表示法离子在水中的毫克当量数来表示离子在水中的毫克当量数来表示可以反映各种离子间的数量关系和化学性质。计算：可以反映各种离子间的数量关系和化学性质。计算：该离子的当量毫克数离子1 中某离某离子的毫克当1的升水中该量升水3.离子毫克当量百分数表示法总数阴（阳）离子毫克当量当量数该阴（阳）离子的毫克）量百分数（某阴（阳）离子毫克当%将将1L水中阴、阳离子的总数各以水中阴、阳离子的总数各以100来计数。来计数。便于将不同地下水成分进行比较。便于将不同地下水成分进行比较。因阴、阳离子是按等当量化合的，因阴、阳离子是按等当量化合的，阴离子的毫克当量总数阴离子的毫克当量总数（r）应与阳离子毫克当量的总数（）应与阳离子毫克当量的总数（r）相等。实际分）相等。实际分析中析中相对误差（相对误差（e）一般一般e2e25 5即可，即可，超标需重新分析。超标需重新分析。%100rrrre4.库尔洛夫式表示法 按照水中各种主要离子成分的相对含量大小，以一按照水中各种主要离子成分的相对含量大小，以一种分子式的形式表示水的化学成分，该分子式称库种分子式的形式表示水的化学成分，该分子式称库尔洛夫式：尔洛夫式：）涌水量（水温（量百分数）各阳离子含量（毫克当量百分数）各阴离子含量（毫克当）总矿化度（）气体含量（微量元素含量（sLCLgLgLg/阴、阳离子均依含量递减次序排列，含量小于阴、阳离子均依含量递减次序排列，含量小于10的离子在式中不表示出来；各种成分含量一律标在的离子在式中不表示出来；各种成分含量一律标在该成分符号的右下角；各元素的原子数均移至上角。该成分符号的右下角；各元素的原子数均移至上角。当涌水量已知时可将涌水量当涌水量已知时可将涌水量Q（L/s）置于温度之后。）置于温度之后。例如例如某温泉的分析结果，按库尔洛夫式表示：某温泉的分析结果，按库尔洛夫式表示：横线上、下分别为阴、阳离子毫克当量百分数，它们按横线上、下分别为阴、阳离子毫克当量百分数，它们按递减顺序排列；递减顺序排列；横线前横线前M表示矿化度、气体成分和特殊成分（微量元表示矿化度、气体成分和特殊成分（微量元素）；素）；横线后为水温横线后为水温T（）、涌水量）、涌水量Q（L/s）。）。库尔洛夫式表示地下水化学成分简单明了，能反映地下库尔洛夫式表示地下水化学成分简单明了，能反映地下水的基本特征。确定地下水的类型时，只考虑毫克当量水的基本特征。确定地下水的类型时，只考虑毫克当量百分数百分数25的阴、阳离子的成分，如上式表示该温泉的阴、阳离子的成分，如上式表示该温泉地下水类型属于地下水类型属于HCO3-Naa型水。型水。5.14927604213655.22019.03032.02005.0)(QTCaNaKSOHCOMCOSiOHF5.图示法图示法用图式或颜色表示各离子相对含量用图式或颜色表示各离子相对含量1）小柱状图示法）小柱状图示法 将主要阴、阳将主要阴、阳离子的毫克当量百分数，分别表离子的毫克当量百分数，分别表示在两个并列的柱状图上。阴、示在两个并列的柱状图上。阴、阳离子从下而上的顺序是阳离子从下而上的顺序是Ca2+、Mg2+、K+Na+及及HCO3-、SO42-、Cl-。可大致估计水中盐类存在。可大致估计水中盐类存在形式，如：形式，如：Ca(HCO3)2、Mg(HCO3)2、MgSO4、MgCl 2、NaCl等盐类。等盐类。2)圆形指示灯图示法圆形指示灯图示法 圆等分为圆等分为10等分，外环、内环表示阳、等分，外环、内环表示阳、阴离子的毫克当量百分数，符号表示各离子成分；中阴离子的毫克当量百分数，符号表示各离子成分；中心部分用颜色表示矿化度大小。正北为起点，逆时针心部分用颜色表示矿化度大小。正北为起点，逆时针顺序排列为阳离子顺序排列为阳离子Ca2+、Mg2+、Na+，阴离子，阴离子HCO3-、SO42-、Cl-。常表示在综合水文地质图上。常表示在综合水文地质图上。三、化学元素之间的比例系数在地下水化学成分研究三、化学元素之间的比例系数在地下水化学成分研究中的意义中的意义化学成分很多组分彼此存在着一定的共生关系，即某些成分与另外一些成化学成分很多组分彼此存在着一定的共生关系，即某些成分与另外一些成分常相伴而存在，其相伴元素在数量上的比例关系，称为分常相伴而存在，其相伴元素在数量上的比例关系，称为比例系数比例系数。利用比。利用比例系数，可以判断地下水的成因、进行水化学分类及水化学找矿等。成因类例系数，可以判断地下水的成因、进行水化学分类及水化学找矿等。成因类型不同的地下水，比例系数也不同。型不同的地下水，比例系数也不同。常用的比例系数有：常用的比例系数有：Cl/Br系数系数：氯与溴物理化学性质很相近，这两种元素进入海水后经常伴氯与溴物理化学性质很相近，这两种元素进入海水后经常伴生在一起。生在一起。通常海水的通常海水的Cl/Br系数为系数为300（重量比）左右。当（重量比）左右。当Cl/Br系数大于系数大于300时，说明这种水属于溶滤岩盐形成的溶滤水；时，说明这种水属于溶滤岩盐形成的溶滤水；Cl/Br系数小于系数小于300时，说时，说明水中明水中Br富集，这种地下水属古埋藏型海水。富集，这种地下水属古埋藏型海水。Ca/Sr系数系数：它可以确定地下水的形成条件。它可以确定地下水的形成条件。在沉积岩（碳酸盐岩）溶滤在沉积岩（碳酸盐岩）溶滤水中水中Ca/Sr大致为大致为200；在海水中或与海相盆地有关的水中；在海水中或与海相盆地有关的水中Ca/Sr为为33；在；在Sr富集的地段，富集的地段，Ca/Sr常降低到个位数或更小。常降低到个位数或更小。Br/I系数系数：一般在海水中为：一般在海水中为1300，在地下水中一般较小，而油田水中仅为，在地下水中一般较小，而油田水中仅为个位数。个位数。四、思考题四、思考题 1.地下水的循环深度如何确定？地下水的循环深度如何确定？2.研究地下水物理性质和化学性质的意义何在？地下水研究地下水物理性质和化学性质的意义何在？地下水有哪些物理性质？这些性质能说明些什么问题？有哪些物理性质？这些性质能说明些什么问题？3.地下水有哪些主要化学成分？各以何种形式存在于水中？地下水有哪些主要化学成分？各以何种形式存在于水中？这些成分的来源如何？这些成分的来源如何？4.地下水的主要化学性质有哪些？它们是如何形成的？为地下水的主要化学性质有哪些？它们是如何形成的？为什么要研究这些化学性质？什么要研究这些化学性质？5.为什么地下水的矿化度不同，其中主要离子成分也不同？为什么地下水的矿化度不同，其中主要离子成分也不同？随着地下水矿化度的增高，水中主要离子成分是如何变随着地下水矿化度的增高，水中主要离子成分是如何变化的？化的？6.影响地下水化学成分形成的因素有哪些？在研究地下水影响地下水化学成分形成的因素有哪些？在研究地下水化学成分形成和变化的作用时，应注意哪些问题化学成分形成和变化的作用时，应注意哪些问题?7.研究地下水中化学元素之间的比例关系有何实际意义？研究地下水中化学元素之间的比例关系有何实际意义？