第五章 地下水基本成因类型与化学成分形成特征(精品)

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第五章,地下水基本成因类型与化学成分形成特征,一、地下水基本成因类型,从,地下水的来源,和,化学成分形成,的基本作用出发，可以将地下水成因分为三个基本类型：,渗入成因,沉积成因,内生成因,1,、渗入成因地下水,大气降水起源的（“大气降水成因的”），,溶滤水、渗入水等，是一类外生水。,2,、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，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,-,埋藏水，封存水，化石水,海相成因的：,陆相成因的：,同生的：与岩石沉积成岩作用同时生成的水；,后生的：从原沉积物排出运动至其它地层中的水,3,、内生成因地下水,来自地球深部，或火山作用中的岩浆；变质作用,内生水,岩浆成因的：直接从岩浆分逸出来、首次进入地壳浅部的水,（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,中的水由结合状态转为游离状态）,（变质水，再生水）,地下水,外生的,内生的,渗入成因的（大气降水成因的）,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,变质成因的,混,合,地下水基本成因类型,二、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,1,、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；,（,HCO,3,-,，,Ca,2+,；,Cl,-,，,Na,+,）,除了盐类组分外，大气降水含有可溶性气体；,（,O,2,：使水具有氧化作用的能力；,CO,2,：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,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。,人为因素影响下，形成酸雨，,使得雨水的,矿化度、成分、氧化,-,还原性质、侵蚀性等,方面都有所变化。,2,、植物,-,土壤影响阶段（,包气带水,岩作用阶段）,雨水降落到地表，在多数情况下先与植物和土壤相遇，并开始成为地下水（土壤水），植物和土壤对于水的成分显示了重要的影响。,（,1,）植物,使水富集一些元素，雨水流经植物根部时，经常会富集一些植 物中的生物成因元素；,瑞典,Gorham,（,1955,）,作了一个比较研究，在松柏针叶树树根下采的雨水样与当地空中采的雨水样相比，发现，经过植物的雨水的钠和钙含量高出三倍，钾则高出七倍。,（,2,）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有机物质的分解，增加了,CO,2,，,从而改变降水的成分。,（,3,）,不同景观带土壤的差异,位于不同景观带的土壤，对于地下水成分的影响是不同的。例如，在森林地带，经过土壤层后，地下水富集了,硅、铝、有机酸,；在草原地带，地下水溶解了大量的,盐类,组分。而在碱性土分布区，可形成,碱性水,（,PH7,），矿化度可以较高。,氧化还原作用，溶解作用，生物因素,（,4,）植物,-,土壤影响阶段地下水的共同特征：,相对于原生铝硅酸盐，一般土壤水都未达到饱和状态，即具有溶解原生铝硅酸盐的能力。,土壤水中含有数量可观的碳酸类化合物，这包括游离碳酸（,CO,2,）、,HCO,3,-,、,CO,3,2-,以及仍未被氧化的有机化合物，后者的进一步分解将使水中碳酸化合物含量进一步提高。,这两点共同特征决定了渗入成因地下水在经过植物,-,土壤影响阶段后，仍具有很强的与围岩介质发生反应的能力。,3,、,水,-,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。,影响因素,：,（,1,）地下水交替强度或径流强度,岩石中含有,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,Ca,2+,SO,4,2-,最终为,Ca,2+,HCO,3,-,等难溶矿物溶解产物。,（,2,）,CO,2,分压（,TDS,低、酸度大）,4,、蒸发浓缩阶段,蒸发作用对地下水化学成分影响最明显的地区为大陆盐渍化发育地区。在蒸发浓缩过程中，盐类有次序地在地下水中析出。相应地，矿化度增大，水的化学成分也发生变化。,西北各内陆盆地（塔里木、准噶尔、河西走廊、柴达木等），都广泛发育,大陆盐渍化作用,，在地表形成盐渍土，极大地影响了农业生产，也给铁路的修建和运营带来了许多问题。,单一蒸发浓缩作用下，从水中依次沉淀出以下矿物：,Al,Fe,Mn,的氢氧化物,SiO,2,和粘土矿物,Al,Fe,Mn,的磷酸盐,Ca,和,Mg,的碳酸盐,CaSO,4,（石膏）,Na,2,SO,4,（芒硝）,Na,K,的氯化物,Mg,的氯化物,Na,K,和,Ca,的硝酸盐；,相应地，地下水的,TDS,增大，其化学成分也发生规律性的变化：,不同阳离子成分的硅酸,-,重碳酸盐水重碳酸钠钙水、苏打水,Na,2,SO,4,型水,Cl,-Na,水和,Cl,-Na-Ca,水。,三、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）,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中在海相沉积,-,埋藏水上。近年来，注意力开始转向陆相沉积成因水。,形成过程：,含于沉积物中的水成分,(,地表水体,),后生作用,(,挤压、变形、变质、热液交代、风化等作用,),沉积水,.,沉积物从松散的颗粒（泥和砂）演化成为岩石，一般经历了压实、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，多属地下卤水、油田水或深层地下热水。,海相沉积物,(,淤泥及粘土，含沉积水,),含水层（含沉积水）,海,渗入水,（地质历史,时期，出露,地表；混合）,典型沉积盆地沉积水的运动特点,海水成分特征：,（,1,）,弱碱性；,（,2,）,海水中溶解的无机物质按其含量顺顺序为,Cl,-,、,Na,+,、,SO,4,2-,、,Ca,2+,、,Mg,2+,、,K,+,、,HCO,3,-,、,Br,-,、,CO,3,2-,等；海水中主要离子含量的固定次序是,Na,+,+K,+,Mg,2+,Ca,2+,Cl,-,SO,4,2-,HCO,3,-,+CO,3,2-,与一般河水的成分恰好相反。,海水：,Cl,-Na,河水：,HCO,3,-Ca,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。,主要的作用有：,1,、蒸发浓缩作用,2,、脱硫酸作用,3,、阳离子交换作用,4,、次生白云岩化作用,5,、钠长石化作用,1,、蒸发浓缩作用,在蒸发作用下，海水盐分（浓度）不断增大，随之而来的是海水所含盐成分的变化：,首先是,CaCO,3,MgCO,3,沉淀；,然后，,CaSO,4,NaCl,MgSO,4,KCl,MgCl,2,不同的沉淀阶段后，残留海水中盐类离子浓度不同,（,115,，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,的浓度可作为海水浓缩的标志,(,Cl,Cl,/Br),。,一般情况下，海水的,Na,/,Cl,=0.85,；,Cl,/Br=300,2,、脱硫酸作用,海相淤泥水的成分特征,与海相沉积物一起被埋藏下来的沉积水，进入了新的介质环境，这种新的介质环境突出地表现在以下两方面：,海相淤泥沉积物富含有机质及各种微生物。,海相淤泥多处于还原环境。,在垂向上，海相淤泥距水表面数厘米以下，即由氧化环境转为还原环境；而横向上，由海盆边缘向中央，沉积物由偏氧化的环境（受陆相环境的影响多一些）转为偏还原的环境。,这种新的介质环境是一个富含有机质和微生物的厌氧还原环境。,脱硫酸作用,由于处于富含有机物质和微生物的还原环境，海相淤泥水中,SO,4,2-,被还原：,SO,4,2-,+2C,有机,+2H,2,OH,2,S+2HCO,3,-,作用的结果是水中,SO,4,2-,减少乃至消失，出现,H,2,S,，,HCO,3,-,含量增加，,pH,增大。,阳离子交换作用,次生白云岩化作用,解释海相封存水中,CaCl,2,水,的形成。,钠长石化作用,在海水浓缩过程的各个阶段中，不会形成,CaCl,2,水，但实际上，许多海相封存水是,CaCl,2,水。,美国：,3,、阳离子交换作用,2NaCl+Ca,2+,（,吸附）,CaCl,2,+2Na,+,（,吸附）,要形成,CaCl,2,水，交换吸附方向必须是从左向右。,当,Na,+,的浓度较大时，才会发生这样的交换。,富含,Na,+,的海水（沉积水）与富含,Ca,2+,的陆源沉积物相遇：,海侵时，,海相沉积物中的沉积水在压实过程中，运动到富含,Ca,2+,的陆源沉积物（后生水）,海退时，,可形成,NaHCO,3,、,HCO,3,-Ca-HCO,3,-Na,4,、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，白云岩大多是,次生白云岩化,产生。即方解石沉积后被含,Mg,2+,的溶液交代而形成，其反应式为：,石盐沉淀后，残余卤水具有,MgCl,2,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。这种作用称为,次生白云岩化作用。同时形成,CaCl,2,水。,通过该反应形成,CaCl,2,型卤水的可能性已被实验所证实。用海水,+CaCO,3,反应，在,T 100,时，反应后的溶液中,Mg,2+,浓度急剧下降，在溶液中出现,Ca,2+,。,5,、钠长石化作用,(,用于解释,火山成因沉积物,中,CaCl,2,型卤水成因,),CaCl,2,水不仅在白云岩分布区遇到，也出现在火山成因沉积物中。,在钙长石转变为钠长石的过程中，钙长石中的,Ca,2+,Al,3+,被卤水中的,Na,+,Si,4+,替代，导致,Ca,2+,进入溶液：,结果水中,Na,+,含量降低，,Ca,2+,含量升高，形成,CaCl,2,水,。,四、内生水成因地下水,由岩浆直接分出并流出地表首次参与地壳水圈循环的“,初生水,”在现代热水中未被发现；,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,）从矿物及岩石中脱出，转入现代地下水圈。,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。这类热泉水一般是沿着深大断裂上升至地表的。,云南、西藏、台湾等地。,