第三章-地下水化学成分形成作用课件

阴阳离子毫克当量阴阳离子毫克当量Mg:14%Ca:35%Na+K:51%SO4:1%Cl:8%HCO3+CO3:91%CaMgNa+KSO4HCO3+CO3Cl图示地下水主要组分三线图示法三线图示法*R*D*M*Saquachem第三章第三章 地下水化学成分的形成及其影响因素地下水化学成分的形成及其影响因素 元素在地下水中的迁移；元素在地下水中的迁移；地下水化学成分形成过程中的几个主要作用及影地下水化学成分形成过程中的几个主要作用及影响因素响因素；水文地球化学模拟简介；水文地球化学模拟简介；几种成因地下水化学成分的形成与特征几种成因地下水化学成分的形成与特征 第一节第一节 元素在地下水中的迁移元素在地下水中的迁移1 元素的迁移元素的迁移定义：定义：元素由一种存在形式转变为另一种存在形式，元素由一种存在形式转变为另一种存在形式，并伴随着一定的空间位移的运动过程。并伴随着一定的空间位移的运动过程。类型：类型：机械迁移：机械迁移：水，空气水，空气 化学与物理化学迁移：化学与物理化学迁移：硅酸盐熔体，水及水溶液，气体硅酸盐熔体，水及水溶液，气体 生物或生物地球化学迁移：生物或生物地球化学迁移：植物吸收（湿地法），根系植物吸收（湿地法），根系CO2地下水是元素在地壳中迁移的重要介质；地下水是元素在地壳中迁移的重要介质；地下水中元素的迁移：地下水中元素的迁移：元素从矿物、岩浆、气体、生命等物质转移到地下水；元素从矿物、岩浆、气体、生命等物质转移到地下水；元素进入地下水后由于各种因素引起的迁移。元素进入地下水后由于各种因素引起的迁移。元素的迁移作用是水文地球化学分带和地下水化学元素的迁移作用是水文地球化学分带和地下水化学成分变化的制约因素；研究元素在地下水中的迁成分变化的制约因素；研究元素在地下水中的迁移是水文地球化学研究的重要内容之一。移是水文地球化学研究的重要内容之一。2 元素在地下水中的迁移形式元素在地下水中的迁移形式 2.1 元素在地下水中存在形式元素在地下水中存在形式 （复习）水按所含成分的颗粒大小分类（复习）水按所含成分的颗粒大小分类 （复习）地下水中溶解组分的存在形式（复习）地下水中溶解组分的存在形式 问题：在地下水中，哪些元素在什么环境条件下以问题：在地下水中，哪些元素在什么环境条件下以哪种形式存在呢？其主要控制因素有哪些？哪种形式存在呢？其主要控制因素有哪些？主要取决于：元素的离子性质（化学性质）主要取决于：元素的离子性质（化学性质）元素元素/离子离子离子在水中同离子在水中同H+争夺争夺02-的能力的能力 存在形式存在形式电价低的较大阳离电价低的较大阳离子（碱金属、碱土子（碱金属、碱土金属）金属）弱弱自由离子自由离子（单一离子）（单一离子）电价高的小阳离子电价高的小阳离子 强强 络阴离子络阴离子（从（从OH-夺出夺出02-，并与之结合形成酸，并与之结合形成酸根）根）界于上两类的其它界于上两类的其它元素（两性元素）元素（两性元素）的离子的离子 稍弱或接近稍弱或接近不固定不固定（随溶液酸碱度变化）随溶液酸碱度变化）碱性溶液：碱性溶液：络阴离子络阴离子酸性溶液：自由离子或氢氧化物酸性溶液：自由离子或氢氧化物还取决于地下水的酸碱度还取决于地下水的酸碱度离子电位：离子电位：以原子价单位表示的离子电荷以原子价单位表示的离子电荷Z（阳离（阳离 子）子）与以埃表示的离子半径与以埃表示的离子半径r之比。之比。离子电位离子电位=Z（原子价）（原子价）/r（离子半径）（离子半径）离子电位低的元素（离子）（离子电位低的元素（离子）（Z/r12),络阴离子络阴离子离子电位中等的元素（离子）（离子电位中等的元素（离子）（Z/r=312)，不固定；，不固定；形成络合物形成络合物 两性元素两性元素 Fe3+Mn4+U,Th,Sn,W 形成络合物形成络合物 不固定 氢氧化物 沉淀还取决于地下水的还取决于地下水的氧化还原电位氧化还原电位2.2 元素在地下水中的迁移形式元素在地下水中的迁移形式（1）元素的真溶液迁移形式）元素的真溶液迁移形式 在真溶液中，元素可以以自由离子、络阴离子和在真溶液中，元素可以以自由离子、络阴离子和络合物的形式迁移；络合物的形式迁移；许多成矿元素在溶液中是以络合物形式迁移的许多成矿元素在溶液中是以络合物形式迁移的 成矿元素的简单化合物都是很难溶解的成矿元素的简单化合物都是很难溶解的 （例如：成（例如：成 矿元素的硫化物溶解度很低；氧化物和含氧盐很难溶解），因矿元素的硫化物溶解度很低；氧化物和含氧盐很难溶解），因此，如果金属和硫都是呈自由离子形式，则立即会超过化合物的溶度积此，如果金属和硫都是呈自由离子形式，则立即会超过化合物的溶度积而沉淀。而沉淀。那么金属硫矿床形成过程中元素是以什么形式迁移的？那么金属硫矿床形成过程中元素是以什么形式迁移的？许多元素的络合物比简单化合物在溶液中的溶解度明显增大。许多元素的络合物比简单化合物在溶液中的溶解度明显增大。在热液和表生成矿溶液迁移过程中，这些元素呈络合物形式迁移。在热液和表生成矿溶液迁移过程中，这些元素呈络合物形式迁移。例例1：铀从：铀从UO2(OH)2 UO2(CO3)22-,UO2(CO3)2(H2O)22-溶解度溶解度增大，沉淀条件也发生变化增大，沉淀条件也发生变化 例例2：NaSn(F,OH)NaSn(F,OH)6 6、(K,Na)(K,Na)2 2WOWO2 2F F4 4 和和(K,Na)(K,Na)2 2MoOMoO4 4 就是锡、钨、就是锡、钨、钼在热液中可能的迁移形式。钼在热液中可能的迁移形式。（2）胶体溶液迁移形式）胶体溶液迁移形式 胶体的性质：胶体的性质：比表面积大；比表面积大；（因此具有很大的表面能，表面电力和吸附能力）（因此具有很大的表面能，表面电力和吸附能力）胶体的质点带有一定电荷胶体的质点带有一定电荷 同一种胶体的质点在溶液中由于相同电荷排斥不同一种胶体的质点在溶液中由于相同电荷排斥不 易凝聚和沉淀易凝聚和沉淀,有利于元素迁移有利于元素迁移;胶体质点电荷被中和时胶体质点电荷被中和时,胶体就会发生凝聚和沉淀胶体就会发生凝聚和沉淀;胶体质点具有从介质中吸附各种元素的离子的能力胶体质点具有从介质中吸附各种元素的离子的能力,从而造成元素的集中或富集从而造成元素的集中或富集.3 标型元素及元素的水迁移环境标型元素及元素的水迁移环境 （1）标型元素）标型元素 其迁移决定着后生过程的地球化学特点的化学元素、其迁移决定着后生过程的地球化学特点的化学元素、离子和化合物，称为标型元素、标型离子和标型化合物。离子和化合物，称为标型元素、标型离子和标型化合物。标型元素分组（两个基本组）：标型元素分组（两个基本组）：空气迁移的标型元素空气迁移的标型元素 水迁移的标型元素水迁移的标型元素（2）空气迁移的标型元素）空气迁移的标型元素 以气态形式迁移，氧，二氧化碳，硫化氢，甲烷等。以气态形式迁移，氧，二氧化碳，硫化氢，甲烷等。空气迁移的标型元素（气体）主要影响（或反映）了空气迁移的标型元素（气体）主要影响（或反映）了表生过程的氧化还原条件。表生过程的氧化还原条件。根据空气迁移元素的组成，可区分出表生带三种主要根据空气迁移元素的组成，可区分出表生带三种主要的氧化的氧化还原环境：还原环境：氧化环境；无硫化氢的还原（潜育）环境；硫化氢还原环境氧化环境；无硫化氢的还原（潜育）环境；硫化氢还原环境 由硫化氢含量所决定，而不取决于氧化还原电位值。氧化还原氧化还原环境环境 特点特点标型元素标型元素氧化环境氧化环境 水中存在自由氧或其它强氧化剂；水中存在自由氧或其它强氧化剂；变价元素处于高度氧化状态（变价元素处于高度氧化状态（Fe3+,Mn4+,Cu2+,V5+,S6+）;岩体染成红、棕、黄色；岩体染成红、棕、黄色；Eh值一般值一般0.15伏特伏特氧氧无硫化氢还原无硫化氢还原环境环境水中不含自由氧或其它强氧化剂或只含少量氧水中不含自由氧或其它强氧化剂或只含少量氧（3mg/L),不含不含H2S（1mg/L），含），含CO2；Fe,Mn处于低价态（处于低价态（Fe2+,Mn2+），易移动；），易移动；岩体呈淡绿色、灰色和兰色；岩体呈淡绿色、灰色和兰色；Eh值一般值一般 0.15伏特伏特二氧化碳；二氧化碳；有的地方还有的地方还有甲烷有甲烷硫化氢还原硫化氢还原环境环境水中不含自由氧或其它强氧化剂，但含大量水中不含自由氧或其它强氧化剂，但含大量H2S；Fe和其它许多金属不移动；和其它许多金属不移动；Eh值一般值一般 0伏特伏特硫化氢；甲硫化氢；甲烷和其它碳烷和其它碳氢化合物氢化合物根据空气迁移元素组成划分的三种氧化还原环境根据空气迁移元素组成划分的三种氧化还原环境（3）水迁移的标型元素）水迁移的标型元素 以真溶液或胶体迁移，以真溶液或胶体迁移，Cl-、SO42-、HCO3-、Na+、Ca2+、Mg2+等等 水迁移的标型元素在很大程度上决定着天然水的酸水迁移的标型元素在很大程度上决定着天然水的酸-碱条碱条件。件。根据水迁移元素的组成，水迁移环境可划分为根据水迁移元素的组成，水迁移环境可划分为6个类型个类型水迁移环境水迁移环境 标型离子标型离子强酸型强酸型(pH 4)标型离子是标型离子是H+，局部为，局部为SO42-，Fe3+等，等，主要为硫化矿床氧化带的水主要为硫化矿床氧化带的水酸型（酸型（4 pH 6.5）标型离子是标型离子是H+，有机酸阴离子，有机酸阴离子中性和弱碱性重碳酸钙型中性和弱碱性重碳酸钙型（pH=6.58.5）标型离子是标型离子是Ca2+和和 HCO3-中性和弱碱性氯化物中性和弱碱性氯化物硫硫酸盐型酸盐型标型离子是标型离子是Cl-、SO42-和和Na+中性和弱碱性石膏型中性和弱碱性石膏型标型离子是标型离子是Ca2+和和SO42-碱性苏打型（碱性苏打型（pH 8.5）标型离子是标型离子是HCO3-，Na+根据水迁移元素组成划分的水迁移环境类型根据水迁移元素组成划分的水迁移环境类型4地球化学垒地球化学垒5 6 定义：定义：表生带内在短距离内元素迁移的条件明显改变，表生带内在短距离内元素迁移的条件明显改变，并导致化学元素浓集的地段。并导致化学元素浓集的地段。7 类型：类型：根据其形成原因，分为：根据其形成原因，分为：8 机械垒：水流运动速度改变的地段，金、锡等的冲机械垒：水流运动速度改变的地段，金、锡等的冲积矿床的形成；积矿床的形成；9 物理化学垒：物理化学状况、特别是酸碱与氧化还物理化学垒：物理化学状况、特别是酸碱与氧化还原条件的改变而形成。氧化垒、还原垒、酸性垒、碱性垒、原条件的改变而形成。氧化垒、还原垒、酸性垒、碱性垒、蒸发垒、吸附垒蒸发垒、吸附垒10 生物垒：生物累积作用形成。土壤腐殖质层，微生生物垒：生物累积作用形成。土壤腐殖质层，微生物群物群地下水化学成分形成过程中的地下水化学成分形成过程中的 几个主要作用几个主要作用溶滤作用（溶解作用）溶滤作用（溶解作用）阳离子交换吸附作用阳离子交换吸附作用氧化还原作用氧化还原作用混合作用混合作用浓缩作用浓缩作用第二节第二节 地下水化学成分形成过程中的地下水化学成分形成过程中的 几个主要作用及影响因素几个主要作用及影响因素1.1 溶滤作用（溶解作用）溶滤作用（溶解作用）（1）定义：）定义：岩石中某些组分进入水中的过程岩石中某些组分进入水中的过程对于矿物而言，溶滤是指不破坏其结晶格架，对于矿物而言，溶滤是指不破坏其结晶格架，而有一部分元素进入水中的过程而有一部分元素进入水中的过程通常所说的溶滤作用也包括溶解作用通常所说的溶滤作用也包括溶解作用（2）溶滤作用与地下水化学成分的形成）溶滤作用与地下水化学成分的形成 水水岩系统中，不同的固体组分有不同的溶解度，因岩系统中，不同的固体组分有不同的溶解度，因此，不同矿化度的水具有自己特殊的化学成分：此，不同矿化度的水具有自己特殊的化学成分：淡水，淡水，具有代表性的阴离子是具有代表性的阴离子是HCO3-，SiO32-,这些阴离子这些阴离子与与Ca2+、Mg2+组成溶解性较弱的盐；组成溶解性较弱的盐；随着矿化度增加，随着矿化度增加，SO42-的作用增强，它对中等和稍高矿的作用增强，它对中等和稍高矿化度的水具有代表性；化度的水具有代表性；在高矿化度的水中在高矿化度的水中，Cl-离子占首位，它与主要阳离子形离子占首位，它与主要阳离子形成易溶盐。成易溶盐。矿化度高低是由离子浓度决定的；离子浓度由相应矿化度高低是由离子浓度决定的；离子浓度由相应矿物的溶解度决定。矿物的溶解度决定。溶滤作用与地下水中溶滤作用与地下水中HCO3-，Ca2+，Mg2+的形成的形成：大气降水降落过程中吸收了大气中的大气降水降落过程中吸收了大气中的O2和和CO2，进入地，进入地下后又吸收了土壤中因有机质氧化而产生的下后又吸收了土壤中因有机质氧化而产生的CO2，因此，因此，大气降水不仅可以溶解大气降水不仅可以溶解NaCl,CaSO4等易溶物质，而且可等易溶物质，而且可以溶解较难溶解的以溶解较难溶解的CaCO3：这样，就形成了这样，就形成了低矿化度的低矿化度的HCO3Ca，HCO3CaMg水。水。CaCO3十十CO2十十H2O Ca+十十 2HCO3-在火成岩地区，溶滤富含在火成岩地区，溶滤富含Na+，K+矿物的火矿物的火成岩的结果是，形成低矿化度的成岩的结果是，形成低矿化度的HCO3Na或硅或硅酸和硅酸酸和硅酸重碳酸盐水。重碳酸盐水。溶滤作用与地下水中溶滤作用与地下水中SO42-，Ca2+的形成：的形成：溶滤作用造成地下水的矿化度增加的另一个来源是硫溶滤作用造成地下水的矿化度增加的另一个来源是硫酸盐，其中主要是硫酸钙。地下水溶解石膏和硬石膏后，酸盐，其中主要是硫酸钙。地下水溶解石膏和硬石膏后，便形成矿化度较高的便形成矿化度较高的SO4Ca水。水。溶滤作用形成的溶滤作用形成的SO4Ca水的矿化度在水的矿化度在1.52.5g/L 左左右。右。当水变为当水变为SO4ClCa时，矿化度可更高。在缺乏氯时，矿化度可更高。在缺乏氯化物的硫酸盐水中，如果其矿化度超过化物的硫酸盐水中，如果其矿化度超过2.5g/L，那么不仅，那么不仅是硫酸盐矿物的溶滤，可能还有硫化物的氧化。是硫酸盐矿物的溶滤，可能还有硫化物的氧化。CaSO42H2O Ca2+SO42-+2H2O 溶滤作用与地下水中溶滤作用与地下水中Cl-，Na+的形成的形成:主要是盐岩的溶解，例如溶解海相沉积岩，盐主要是盐岩的溶解，例如溶解海相沉积岩，盐矿床等，可形成矿床等，可形成高矿化度的高矿化度的Cl Na，Cl NaCa水水。注意：注意：地下水的溶滤作用，往往会形成许多地下水的溶滤作用，往往会形成许多“过渡过渡”类型类型的水，的水，例如例如HCO3CaMg，SO4ClCa，HCO3SO4CaMg等等.含水层中水含水层中水岩相互作用是一个复杂的过程，除岩相互作用是一个复杂的过程，除溶滤作用外，还会（同时）发生许多其它作用。溶滤作用外，还会（同时）发生许多其它作用。脱碳酸作用脱碳酸作用 碳酸盐类在水中的溶解度，与水中碳酸盐类在水中的溶解度，与水中CO2含量关系密切。含量关系密切。当温度升高压力降低时，水中溶解当温度升高压力降低时，水中溶解CO2的数量就会减少，的数量就会减少，这时水中这时水中HCO3-便与便与Ca2+，Mg2+，Fe2+结合形成沉淀。结合形成沉淀。由于由于CO2的逸出使水中的逸出使水中HCO3-，Ca2+，Mg2+，Fe2+的含量的含量减少的现象，称为减少的现象，称为“脱碳酸作用脱碳酸作用”。由于大量由于大量CO2的逸出，往往在泉口形成泉华。的逸出，往往在泉口形成泉华。Ca+十十 2HCO3-CaCO3十十CO2十十H2OSpring Sinter in the Yellowstone National Park,USA(1)Spring Sinter in the Yellowstone National Park,USA(3)1.2 阳离子交换吸附作用阳离子交换吸附作用 引起地下水化学成分的变化，改变水的类型和硬度引起地下水化学成分的变化，改变水的类型和硬度 例如形成例如形成 HCO3Na，SO4Na水水 HCO3Ca HCO3Na 灌溉地段洗盐时；灌溉地段洗盐时；海退作用后，海相沉积物中海退作用后，海相沉积物中反应分两步反应分两步,结果形成结果形成SO42-,Fe3+高高的酸性水的酸性水,以及铁褐色以及铁褐色Fe(OH)3沉淀沉淀.如果水排出后遇到灰岩如果水排出后遇到灰岩:碳酸钙溶解碳酸钙溶解,pH值升高值升高,水中水中Ca2+,HCO3-增加增加.1.3 氧化还原作用氧化还原作用P43 例题例题1.7脱硫酸作用脱硫酸作用：在封闭、富含有机质的还原环境中，在脱硫酸菌的参与下在封闭、富含有机质的还原环境中，在脱硫酸菌的参与下进行脱硫酸作用：进行脱硫酸作用：SO2-4（CaSO4）+C有机有机CaS+CO2+H2O CaS+CO2+H2O CaCO3+H2S 作用的结果是水中作用的结果是水中SO42-减少乃至消失，出现减少乃至消失，出现H2S，HCO3-含量增加。含量增加。NaSO4 HCO3Na 可可发发生生在在湖湖泊泊、海海洋洋底底部部淤淤泥泥沉沉积积物物中中，沼沼泽泽及及自自流流盆盆地地深部承压含水层中，尤其是油田水中。深部承压含水层中，尤其是油田水中。1.4 混合作用混合作用 两种或数种不同化学成分或矿化度的地下水两种或数种不同化学成分或矿化度的地下水相混合所形成的地下水，其化学成分与混合前的相混合所形成的地下水，其化学成分与混合前的地下水都有所不同。地下水都有所不同。海水入侵；热、冷水混合；不同含水层地下水混合海水入侵；热、冷水混合；不同含水层地下水混合A.H.奥吉尔维提出了关于地下水混合问题的数学分奥吉尔维提出了关于地下水混合问题的数学分析方法：两种不同的水（淡水和高矿化度水）混析方法：两种不同的水（淡水和高矿化度水）混合时产生一系列的中间型（混合）水，其成分变合时产生一系列的中间型（混合）水，其成分变化服从直线方程式：化服从直线方程式：y=ax+b x:混合水的矿化度混合水的矿化度(g/L)；y:混合水中某一组分的含量混合水中某一组分的含量(g/L)；a,b:在两种基本的水以不同比例混合时，对于某在两种基本的水以不同比例混合时，对于某两种固定的组分，两种固定的组分，a,b是常数。是常数。x水的混合作用图解水的混合作用图解y矿化度矿化度(g/L)元素含量元素含量(g/L)(g/L)y=ax+bI1I2公式推导公式推导:取某高矿化度水取某高矿化度水A升升,其矿化度为其矿化度为P克克/升升,某一组分含量为某一组分含量为S克克/升升;取某淡水取某淡水B升升,其矿化度为其矿化度为P克克/升升,其同一组分含量为其同一组分含量为S克克/升升.假设这两种水混合后假设这两种水混合后,其矿化度为其矿化度为x克克/升升,同一组分的同一组分的含量为含量为y克克/升升,则则:AP+BP=x(A+B)=Ax+Bx (1)AS+BS=y(A+B)=Ay+By (2)(3,求混合水矿化度公式求混合水矿化度公式)(4,求混合水某一组分公式求混合水某一组分公式)由式由式(3)、(4)，可得：，可得：最后得到：最后得到：y=ax+by=ax+b例：一钻孔进行单井抽水试验，第一含水层涌水量为例：一钻孔进行单井抽水试验，第一含水层涌水量为 .升秒，升秒，Cl-含量为毫克升；第一、第二含水含量为毫克升；第一、第二含水层混合抽水时，涌水量为层混合抽水时，涌水量为升秒，升秒，Cl-含量为含量为毫克升。两个含水层的静水位差很小。试求第二含水层毫克升。两个含水层的静水位差很小。试求第二含水层地下水的地下水的Cl-含量。含量。a混混a.（升秒）（升秒）Cla2=2763(毫克升毫克升)例例2:有一傍河钻孔进行抽水，抽水初期水的矿化度为有一傍河钻孔进行抽水，抽水初期水的矿化度为毫克升。抽取一段时间后，有河水混入，总涌毫克升。抽取一段时间后，有河水混入，总涌水量水量.升秒，矿化度毫克升。已知河水升秒，矿化度毫克升。已知河水矿化度为毫克升，求河水混入的数量。矿化度为毫克升，求河水混入的数量。设河水混入的量为设河水混入的量为：（升秒）（升秒）注意：注意：关于水的混合遵守直线方程的结论，仅在一定关于水的混合遵守直线方程的结论，仅在一定范围内才适用。范围内才适用。混合后，不发生化学反应和其它作用，没有物混合后，不发生化学反应和其它作用，没有物质沉淀或逸出。质沉淀或逸出。混合溶蚀现象；混合溶蚀现象；同离子效应；同离子效应；含有对抗盐：含有对抗盐：CaCl2+2NaHCO32NaCl+CaCO3+H2O+CO2 不同温度水的混合不同温度水的混合 Two end-member mixing trendsThree end-member mixing diagram1.5 浓缩作用浓缩作用当水蒸发时，其离子浓度（或矿化度）相对增大，这当水蒸发时，其离子浓度（或矿化度）相对增大，这种作用称为浓缩作用。种作用称为浓缩作用。蒸发可造成盐在地下水和土壤中的浓集。蒸发可造成盐在地下水和土壤中的浓集。干旱干旱半干旱地区，蒸发是水的主要排泄方式之一。半干旱地区，蒸发是水的主要排泄方式之一。在水蒸发浓缩过程中，在水蒸发浓缩过程中，首先从水中沉淀出难溶的首先从水中沉淀出难溶的CaCO3,MgCO3,以后沉淀以后沉淀CaO,因此地下水高度浓缩的地区多形因此地下水高度浓缩的地区多形成氯化物水。成氯化物水。2 影响地下水化学成分形成的主要因素影响地下水化学成分形成的主要因素 自然地理因素自然地理因素 地形；地形；水文；水文；气候（气象气候（气象降水；气温；蒸发）降水；气温；蒸发）地质因素和水文地质因素地质因素和水文地质因素 地质构造；地质构造；土壤、岩石的矿物成分；土壤、岩石的矿物成分；水水岩作用时间（地下水流速）岩作用时间（地下水流速）生物因素生物因素 植物：植物：引起地下水生物变质作用；引起地下水生物变质作用；使水富集微量元素；使水富集微量元素；选择性地吸收离子选择性地吸收离子 微生物：微生物：脱硫细菌；造氨细菌；硝化细菌脱硫细菌；造氨细菌；硝化细菌人为因素人为因素 灌溉，排污，农药、肥料使用：地下水硬度增高，污灌溉，排污，农药、肥料使用：地下水硬度增高，污染物含量增大，新出现一些水化学类型染物含量增大，新出现一些水化学类型.第三节第三节 水文地球化学模拟水文地球化学模拟第四节第四节 几种成因地下水化学成分的形成与特征几种成因地下水化学成分的形成与特征地下水化学成分形成的地下水化学成分形成的“五大作用五大作用”是对不同类型地是对不同类型地下水中主要的水文地球化学作用的归纳和概括；下水中主要的水文地球化学作用的归纳和概括；本节介绍在几种不同成因类型水中，本节介绍在几种不同成因类型水中，“五大作用五大作用”的的具体体现。具体体现。1 地下水基本成因类型地下水基本成因类型 从从地下水的来源地下水的来源和和化学成分形成化学成分形成的基本作用出的基本作用出发，可以将地下水成因分为三个基本类型：发，可以将地下水成因分为三个基本类型：渗入成因渗入成因 沉积成因沉积成因 内生成因内生成因渗入成因地下水渗入成因地下水 大气降水起源的（大气降水起源的（“大气降水成因的大气降水成因的”），），溶滤溶滤渗入水渗入水沉积成因地下水沉积成因地下水 沉积物在盆地堆积成岩的过程中，总会保存一定的水，沉积物在盆地堆积成岩的过程中，总会保存一定的水，这种与沉积物同期沉积埋藏下来的水，叫沉积成因地下水。这种与沉积物同期沉积埋藏下来的水，叫沉积成因地下水。沉积沉积-埋藏水，封存水，化石水埋藏水，封存水，化石水 海相成因的：海相成因的：陆相成因的：陆相成因的：同生的：与岩石沉积成岩作用同时生成的水；同生的：与岩石沉积成岩作用同时生成的水；后生的：从原沉积物排出运动至其它地层中的水后生的：从原沉积物排出运动至其它地层中的水内生成因地下水内生成因地下水来自地球深部，火山作用，岩浆；变质作用来自地球深部，火山作用，岩浆；变质作用内生水内生水 岩浆成因的：直接从岩浆分异出来、首次进入地壳浅部的水岩浆成因的：直接从岩浆分异出来、首次进入地壳浅部的水 （岩浆水，初生水）（岩浆水，初生水）变质成因的：变质作用过程中产生的水（高温下，岩石矿物变质成因的：变质作用过程中产生的水（高温下，岩石矿物 中的水由结合状态转为游离状态）中的水由结合状态转为游离状态）（变质水，再生水）（变质水，再生水）地下水地下水外生的外生的内生的内生的渗入成因的（大气降水成因的）渗入成因的（大气降水成因的）沉积成因的沉积成因的海成的陆成的（沉积环境）同生的后生的（沉积相对时间）岩浆成因的岩浆成因的变质成因的变质成因的混混合合地下水基本成因类型地下水基本成因类型2 渗入成因地下水化学成分的形成与特征渗入成因地下水化学成分的形成与特征 从大气降水降落到地表，到进入含水层，再到一从大气降水降落到地表，到进入含水层，再到一部分蒸发返回大气，可以划分四个阶段：部分蒸发返回大气，可以划分四个阶段：大气降水阶段；植物-土壤影响阶段；水-岩相互作用阶段；蒸发浓缩阶段2.1 大气降水阶段大气降水阶段大气降水的化学成分具有区域特征，盐类组分含量低；大气降水的化学成分具有区域特征，盐类组分含量低；（HCO3-，Ca2+；Cl-，Na+）除了盐类组分外，大气降水含有可溶性气体；除了盐类组分外，大气降水含有可溶性气体；（O2：使水具有氧化作用的能力；CO2：溶于降水形成碳酸，降低了雨水的pH，提高了侵蚀性）大气降水较低的盐类组分含量、弱酸性大气降水较低的盐类组分含量、弱酸性中性和含有可中性和含有可溶性气体，造成大气降水相对于化合物（矿物）远未溶性气体，造成大气降水相对于化合物（矿物）远未饱和；具有侵蚀性。因此具有溶解矿物、使各种元素饱和；具有侵蚀性。因此具有溶解矿物、使各种元素在水中积聚的能力。在水中积聚的能力。人为因素影响下，形成酸雨，增加了大气降水侵蚀性人为因素影响下，形成酸雨，增加了大气降水侵蚀性2.2 植物植物-土壤影响阶段（土壤影响阶段（包气带水岩作用阶段）雨雨水水降降落落到到地地表表，在在多多数数情情况况下下先先与与植植物物和和土土壤壤相相遇遇，并并开开始始成成为为地地下下水水（土土壤壤水水），植植物物和和土土壤壤对对于于水水的的成成分分显显示了重要的影响：示了重要的影响：植植物物：使使水水富富集集一一些些元元素素：雨雨水水流流经经植植物物根根部部时时，经常会富集一些植经常会富集一些植 物中的生物成因元素；物中的生物成因元素；瑞瑞典典Gorham1955年年作作了了一一个个比比较较研研究究，在在松松柏柏针针叶叶树树树树根根下下采采的的雨雨水水样样与与当当地地空空中中采采的的雨雨水水样样相相比比，发发现现，经过植物的雨水的钠和钙含量高出三倍，钾则高出七倍。经过植物的雨水的钠和钙含量高出三倍，钾则高出七倍。土壤：土壤对于入渗的大气降水成分的作用，突土壤：土壤对于入渗的大气降水成分的作用，突出表现为土壤中所含的有机物质的分解，增加了出表现为土壤中所含的有机物质的分解，增加了CO2，从而改变降水的成分。从而改变降水的成分。位位于于不不同同景景观观带带的的土土壤壤，对对于于地地下下水水成成分分的的影影响响是是不不同同的的，例例如如，在在森森林林地地带带，经经过过土土壤壤层层后后，地地下下水水富富集集了了硅硅、铝铝、有有机机酸酸；在在草草原原地地带带，地地下下水水溶溶解解了了大大量量的的盐盐类类组组分分。而而在在碱碱性性土土分分布布区区，可可形形成成碱碱性性水水（PH7），矿矿化度可以较高化度可以较高 氧化还原作用，溶解作用，生物因素 植物植物-土壤影响阶段地下水的共同特征：土壤影响阶段地下水的共同特征：相相对对于于原原生生铝铝硅硅酸酸盐盐，一一般般土土壤壤水水都都未未达达到到饱饱和和状状态态，即即具有溶解原生铝硅酸盐的能力。具有溶解原生铝硅酸盐的能力。土土壤壤水水中中含含有有数数量量可可观观的的碳碳酸酸类类化化合合物物，这这包包括括游游离离碳碳酸酸（CO2），HCO3-，CO32-,以以及及仍仍未未被被氧氧化化的的有有机机化化合合物物，后者的进一步分解将使水中碳酸化合物含量进一步提高。后者的进一步分解将使水中碳酸化合物含量进一步提高。这这两两点点共共同同特特征征决决定定了了渗渗入入成成因因地地下下水水在在经经过过植植物物-土土壤壤影影响阶段后，仍具有很强的与围岩介质发生反应的能力。响阶段后，仍具有很强的与围岩介质发生反应的能力。2.3 水水-岩相互作用阶段岩相互作用阶段 地下水进入含水层中，与岩石相接触，发生相互作用。围岩与水之间的地球化学作用类型：溶解作用和氧化还原作用是渗入成因地下水与岩石之间两种基本的地球化学作用。岩石中含有岩石中含有盐岩、石膏、方解石等矿物，溶解的先后次序：盐岩、石膏、方解石等矿物，溶解的先后次序：Na+,Cl-最早被水带走；然后是最早被水带走；然后是Ca2+,SO42-,最终为最终为Ca2+,HCO3-等难溶矿物溶解产物。等难溶矿物溶解产物。影响因素：地下水交替强度或径流强度2.4 蒸发浓缩阶段蒸发浓缩阶段 蒸蒸发发作作用用对对地地下下水水化化学学成成分分影影响响最最明明显显的的地地区区为为大大陆陆盐盐渍渍化化发发育育地地区区，在在蒸蒸发发浓浓缩缩过过程程中中，盐盐类类有有次次序序地地在在地地下下水水中析出，相应地，矿化度增大，水的化学成分也发生变化。中析出，相应地，矿化度增大，水的化学成分也发生变化。西西北北各各内内陆陆盆盆地地（塔塔里里木木、准准噶噶尔尔、河河西西走走廊廊、柴柴达达木木等等），都都广广泛泛发发育育大大陆陆盐盐渍渍化化作作用用，在在地地表表形形成成盐盐渍渍土土，极极大大地影响了农业生产，给铁路的修建和运营带来了许多问题。地影响了农业生产，给铁路的修建和运营带来了许多问题。3 沉积成因地下水化学成分的形成与特征沉积成因地下水化学成分的形成与特征 （以海相封存水为例）（以海相封存水为例）由于海相沉积占地壳表层沉积的绝大部分，海由于海相沉积占地壳表层沉积的绝大部分，海水成分相对较为稳定，因此已有的研究大多集水成分相对较为稳定，因此已有的研究大多集中在海相沉积中在海相沉积-埋藏水上。近年来，注意力开始埋藏水上。近年来，注意力开始转向陆相沉积成因水。转向陆相沉积成因水。沉积物从松散的颗粒（泥和砂）到成为岩石，一般经历了压沉积物从松散的颗粒（泥和砂）到成为岩石，一般经历了压实、固结和脱水三个阶段。实、固结和脱水三个阶段。沉积成因水大都埋藏在地下几百米甚至几千米的深处，多属沉积成因水大都埋藏在地下几百米甚至几千米的深处，多属地下卤水，油田水或深层地下热水。地下卤水，油田水或深层地下热水。海相沉积物海相沉积物(淤泥及粘土，淤泥及粘土，含沉积水含沉积水)含水层（含含水层（含沉积水）沉积水）海海渗入水渗入水（地质历史（地质历史时期，出露时期，出露地表；地表；混合混合）典型沉积盆地沉积水的运动特点典型沉积盆地沉积水的运动特点海水成分特征海水成分特征 海海水水中中溶溶解解的的无无机机物物质质按按其其含含量量顺顺顺顺序序为为Cl-、Na+、SO42-、Ca2+、Mg2+、K+、HCO3-、Br-、CO32-等等，海海水水中中主主要要离离子子含含量量的的固固定定次次序序是是Na+K+Mg2+Ca2+,Cl-SO42-HCO3-+CO32-,与一般河水的成分恰好相反。与一般河水的成分恰好相反。Cl-Na HCO3-Ca 在海相沉积水形成过程中，海水与介质发生相互作在海相沉积水形成过程中，海水与介质发生相互作用，化学成分形成机理十分复杂。用，化学成分形成机理十分复杂。主要的作用有：主要的作用有：蒸发浓缩作用蒸发浓缩作用 脱硫酸作用脱硫酸作用 阳离子交换作用阳离子交换作用 次生白云岩化作用次生白云岩化作用 钠长石化作用钠长石化作用 蒸发浓缩作用蒸发浓缩作用在蒸发作用下，海水盐分（浓度）不断增大，随之而来的是在蒸发作用下，海水盐分（浓度）不断增大，随之而来的是海水所含盐的成分的变化：海水所含盐的成分的变化：首先是首先是CaCO3,MgCO3沉淀；沉淀；然后，然后，CaSO4,NaCl,MgSO4,KCl,MgCl2不同的沉淀阶段后残留海水中盐类离子浓度不同不同的沉淀阶段后残留海水中盐类离子浓度不同（115，表，表3.8）在蒸发浓缩的各个阶段不会形成含溴的矿物，因此溴的浓度在蒸发浓缩的各个阶段不会形成含溴的矿物，因此溴的浓度可作为海水浓缩的标志可作为海水浓缩的标志(Cl,Cl/Br)。脱硫酸作用脱硫酸作用 海相淤泥水的成分特征海相淤泥水的成分特征与与海海相相沉沉积积物物一一起起被被埋埋藏藏下下来来的的沉沉积积水水，进进入入了了新新的的介介质质环环境，这种新的介质环境突出地表现在以下两点：境，这种新的介质环境突出地表现在以下两点：海相淤泥沉积物富含有机质及各种微生物。海相淤泥沉积物富含有机质及各种微生物。海海相相淤淤泥泥多多处处于于还还原原环环境境。在在垂垂向向上上，海海相相淤淤泥泥距距水水表表面面数数厘厘米米以以下下，即即由由氧氧化化环环境境转转为为还还原原环环境境；而而横横向向上上，由由海海盆盆边边缘缘向向中中央央，沉沉积积物物由由偏偏氧氧化化的的环环境境（受受陆陆相相环环境境的的影响多一些）转为偏还原的环境。影响多一些）转为偏还原的环境。这这种种新新的的介介质质环环境境是是一一个个富富含含有有机机质质和和微微生生物物的的嫌嫌氧的还原环境。氧的还原环境。脱硫酸作用脱硫酸作用由于处于富含有机物质和微生物的还原环境，海相由于处于富含有机物质和微生物的还原环境，海相淤泥水中淤泥水中SO42-被还原：被还原：SO2-4（CaSO4）+C有机有机CaS+CO2+H2O CaS+CO2+H2O CaCO3+H2S作用的结果是水中作用的结果是水中SO42-减少乃至消失，出现减少乃至消失，出现H2S，HCO3-含量增加，含量增加，pH增大。增大。阳离子交换作用阳离子交换作用次生白云岩化作用次生白云岩化作用 解释海相封存水中解释海相封存水中CaCl2水的形成。水的形成。钠长石化作用钠长石化作用在海水浓缩过程的各个阶段中，不会形成在海水浓缩过程的各个阶段中，不会形成CaCl2水，但水，但实际上，许多海相封存水是实际上，许多海相封存水是CaCl2水。水。美国：美国：阳离子交换作用阳离子交换作用 2NaCl+Ca2+（吸附）（吸附）=CaCl2+2Na+（吸附）（吸附）要形成要形成CaCl2 水，交换吸附方向必须是从左向右。水，交换吸附方向必须是从左向右。当当Na+的的浓浓度度较较大大时时，才才会会发发生生这这样样的的交交换换。富富含含Na+的的海海水水（沉积水）与富含（沉积水）与富含Ca2+的陆源沉积物相遇：的陆源沉积物相遇：海侵时；海侵时；海相沉积物中的沉积水在压实过程中，运动到富含海相沉积物中的沉积水在压实过程中，运动到富含 Ca2+的陆源沉积物（后生水）的陆源沉积物（后生水）海退时：可形成海退时：可形成NaHCO3水水 HCO3-Ca-HCO3-Na次生白云岩化作用次生白云岩化作用 现代沉积学研究证实，原生沉积的白云岩几乎不存在，白现代沉积学研究证实，原生沉积的白云岩几乎不存在，白云岩大多是次生白云岩化产生。即方解石沉积后被含云岩大多是次生白云岩化产生。即方解石沉积后被含Mg2+的溶液交代而形成，其反应式为：的溶液交代而形成，其反应式为：石盐沉淀后，残余卤水具有石盐沉淀后，残余卤水具有MgCl2成分，在深部环境中，成分，在深部环境中，含镁高的卤水与石灰岩相互作用，并使其变为白云岩。这含镁高的卤水与石灰岩相互作用，并使其变为白云岩。这种作用称为种作用称为次生白云岩化作用。同时形成次生白云岩化作用。同时形成CaCl2 水。水。通过该反应形成通过该反应形成CaCl2型卤水的可能性已被实验所证实。用型卤水的可能性已被实验所证实。用海水海水+CaCO3反应，在反应，在T100时，反应后的溶液中时，反应后的溶液中 Mg2+浓度急剧下降，在溶液中出现浓度急剧下降，在溶液中出现 Ca2+。钠长石化作用钠长石化作用 (用于解释火山成因沉积物中CaCl2型卤水成因)CaCl2 水不仅在白云岩分布区遇到，也出现在火山成因沉积水不仅在白云岩分布区遇到，也出现在火山成因沉积物中。物中。在钙长石转变为钠长石的过程中，钙长石中的在钙长石转变为钠长石的过程中，钙长石中的Ca2+,Al3+被卤被卤水中的水中的Na+,Si4+替代，导致替代，导致Ca2+进入溶液：进入溶液：结果水中结果水中Na+含量降低，含量降低，Ca2+含量升高，形成含量升高，形成CaCl2水水。4地下热水化学成分的形成与特征地下热水化学成分的形成与特征5 6 内生水：内生水：7 由岩浆直接分出并流出地表首次参与地由岩浆直接分出并流出地表首次参与地壳水圈循环的壳水圈循环的“初生水初生水”在现代热水中未被发现；在现代热水中未被发现；8 近期火山作用地区，在高温条件下一部近期火山作用地区，在高温条件下一部分结合状态的水转变为游离状态（再生水）自矿分结合状态的水转变为游离状态（再生水）自矿物及岩石中脱出，转入现代地下水圈。物及岩石中脱出，转入现代地下水圈。地球系统地球系统层圈的相互作用层圈的相互作用在现代火山或熄灭不久的火山区，岩浆活动区和构在现代火山或熄灭不久的火山区，岩浆活动区和构造活动剧烈地区，常见现代热泉。这类热泉水一造活动剧烈地区，常见现代热泉。这类热泉水一般是沿着深大断裂上升至地表的。般是沿着深大断裂上升至地表的。云南、西藏、台湾等地。云南、西藏、台湾等地。4.1 现代热泉化学成分的基本类型和形成作用现代热泉化学成分的基本类型和形成作用按气体成分，可分为以下六种类型：按气体成分，可分为以下六种类型：碳酸碳酸-硫化氢水硫化氢水氢氢-碳酸水碳酸水碳酸水碳酸水碳酸碳酸-氮水氮水甲烷及甲烷甲烷及甲烷-氮水氮水含氮热水含氮热水生物化学作用；火山气体；热变质作用；大气成因生物化学作用；火山气体；热变质作用；大气成因在在粤粤东东花花岗岗岩岩(r)岩岩分分布布区区，r沿沿深深大大断断裂裂多多期期侵侵入入，和和碳碳酸酸岩岩接接触触，在在接接触触带带附附近近，变变质质作作用用强强烈烈（）。岩岩浆浆侵侵入入和和围围岩岩的的变质是这些碳酸泉形成的重要原因。变质是这些碳酸泉形成的重要原因。在在珠珠江江三三角角洲洲及及潮潮汕汕平平原原，海海陆陆交交互互相相沉沉积积物物中中含含有有大大量量动动植植物物遗遗体体，在在嫌嫌氧氧环环境境中中，微微生生物物的的生物化学作用，生成生物化学作用，生成CO2和碳酸水。和碳酸水。4.2 沉积盆地地下热水沉积盆地地下热水 沉积盆地地下热水的化学成分变化较大，取决沉积盆地地下热水的化学成分变化较大，取决于热水的来源、地质于热水的来源、地质水文地质条件等，以及水水文地质条件等，以及水文地球化学作用。文地球化学作用。我国目前把水温低于25的地下水称地下冷水，高于25的地下水称地下热水：25-40 温水 40-60 温热水 60-90 热水 90-150 中温地热资源 150 高温地热资源 结束语当你尽了自己的最大努力时，失败也是伟大的，所以不要放弃，坚持就是正确的。When You Do Your Best,Failure Is Great,So DonT Give Up,Stick To The End谢谢大家荣幸这一路，与你同行ItS An Honor To Walk With You All The Way演讲人：XXXXXX 时 间：XX年XX月XX日