地下水的物理性质和化学性质(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,*,第九章,地下水的物理性质和化学性质,9.1,地下水的物理性质,9.2,地下水的化学成分,9.3,地下水的某些化学性质,9.4,地下水化学成分的形成作用,9.5,地下水化学成分的分析与资料整理,地下水的物理性质和化学性质反映了地下水的形成环境和形成过程。,研究意义：,1.,阐明地下水的起源；,2.,揭示地质过程,如岩溶、沉积、成岩、变质、成矿作用都与地下水有关。,3.,水质评价。,4.,水化学找矿。,9.1,地下水的物理性质,包括温度、颜色、透明度、气味、味道、比重、导电性和放射性等。,地下水的温度,地壳表层热能来源：,1.,太阳的辐射,2.,地球内部的热流,地壳表层分带（根据受热的情况,）：,1.,变温带：,受太阳的辐射影响，地温有季节、昼夜变化，下限深度,1-2m,。地下水温度随季节变化。,2.,常温带：,不受太阳的辐射影响，地温变化很小，下限深度,15-30m,。地温比年平均气温高,1-2,。,3.,增温带：,受地球内热影响，随深度增加地温而有规律地升高。一般地温梯度平均值为,3/100m,。,?,为什么地下水给人以“,冬暖夏凉,”,地下水温,(,T,),与循环深度,(,H,),概算：,1.,地下水温,(,T,),：,已知年平均气温,(,t,),、年常温带深度,(,h,),、地温梯度,(,r,),：,T,=,t,+(,H,h,),r,2.,循环深度,(,H,),：,已知地下水温,(,T,),：,H,=,h,+(,T,-,t,)/,r,9.2,地下水的化学成分,一、主要气体成分,O,2,、,N,2,、,CO,2,、,CH,4,、,H,2,S,意义：,（,1,）说明地下水所处的地球化学环境；,（,2,）增强水对岩石的溶解能力。,溶解氧多说明地下水所处地球化学环境于氧化作用进行；,N,2,单独存在，地下水处于封闭的还原环境；,CH,4,、,H,2,S,指示还原环境；,CO,2,来源于土壤，,CO,2,多，地下水溶解碳酸盐与对结晶岩进行风化作用的能力愈强。,二、主要离子成分,Cl,-,、,SO,4,2-,、,HCO,3,-,、,Na,+,、,K,+,、,Ca,2+,、,Mg,2+,原因：,（,1,）元素丰度大；（,2,）在水中的溶解度大。,矿化度,高,中,低,主要离子组分,Cl,-,Na,+,K,+,；,SO,4,2-,；,HCO,3,-,Ca,2+,Mg,2+,1.,来源,低矿化度,地下水中的主要成分来源于：,（,1,）沉积岩,(,碳酸盐,),类和变质岩,(,大理岩,),的溶解；,（,2,）岩浆岩的变质作用；,（,3,）岩浆岩的风化溶解,(,铝硅酸盐矿物如钙长石,),。,中矿化度,地下水中的主要成分,(,SO,4,2-,),来源于：,（,1,）沉积岩类的溶解（石膏及其他硫酸盐）；,（,2,）金属硫化物的氧化（黄铁矿）；,（,3,）人类活动,酸雨（化石燃料的燃烧）。,高矿化度,地下水中的主要成分,(,Cl,-,Na,+,K,+,),来源于：,（,1,）沉积岩类的溶解（钾盐、钠盐）；,（,2,）岩浆岩的风化溶解（钾长石、钠长石）,（,3,）海水；,（,4,）火山喷发；,（,5,）人类活动,Cl,-,是污染标志。,三、其他成分,1.,微量组分,天然微量组分：,Br(,溴,),、,I(,碘,),、,F(,氟,),、,Sr,(,锶,),、,Se(,硒,),。,若水中含有,I,、,Sr,、,Se,等微量元素，则可作为矿泉水。,污染微量组分：,As,、,Se,、,Cd,、,Cr,、,Hg,、,Pb,、氟化物、,CN,、酚类、硝酸盐、洗涤剂、农药等有机和无机成分，对人体有害。,2.,其他成分,(1),同位素,(2),胶体化合物,(3),有机物,(4),微生物,9.3,地下水的某些化学性质,一、酸碱性,用,H,+,浓度或,pH,来表示。,pH=-,lgH,+,二、氧化,还原电位,表征地下水处于氧化还原状态的指标，用,Eh,表示。单位：,V,或,mV,。,Eh,0,氧化状态,Eh,0,还原状态,9.3,地下水的某些化学性质,三、总矿化度,表示地下水中含盐量的多少。,总矿化度,指地下水中所含各种离子、分子及化合物的总量，以,mg,L,表示。,求算方法：,（,1,）实验：,105-110,C,下烘干后残余物总量,（,2,）,计算：阴阳离子重量之和。,HCO3-,含量只能计入一半，因为,2HCO,3,-,只生成,1,份,CaCO,3,，另一半形成,CO,2,逸出。,地下水按矿化度分类表,地下水类型,总矿化度（,g/L,）,淡,水,1,微,咸,水,1,3,咸,水,3,10,盐,水,10,50,卤,水,50,9.3,地下水的某些化学性质,四、硬度,水中含,Ca,2,、,Mg,2,含,量,的多少,。,分类：,总硬度 暂时硬度 永久硬度,总硬度：,水中含,Ca,2,、,Mg,2,的总量,。,暂时硬度：,Ca,2,+2HCO,3,CaCO,3,+H,2,O+CO,2,永久硬度：,水加热沸腾后仍保留的,Ca,2,、,Mg,2,含,量,。,？,三者之间的关系。,硬度的表示方法,德国度（,H,）,相当于,1L,水中含有,7.1mg,的,Ca,2,或,4.3Mg,2,的量。,2.,毫克当量数,(,以,CaCO,3,计,),硬度,=M,2+,(mg/L,）,100/M,2+,的当量,例：,若水质中含有,10ppm,的镁离子（,Mg,2+,），以及,15ppm,的钙离子（,Ca,2+,），则它的总硬度值计算如下：,总硬度镁硬度,+,钙硬度,镁硬度,10ppm100/12.2,82.0ppm,钙硬度,15ppm100/20.0,75ppm,总硬度,(82ppm+75ppm)/2,78.5ppm,地下水按硬度分类表,水,的,类,别,硬,度,以,CaCO,3,计,德国度,极,软,水,75,4.2,软,水,75,150,4,.2,8,.4,弱,硬,水,150,300,8,.4,16.8,硬,水,300,450,16,.8,25,.2,极,硬,水,450,25.2,9.3,地下水的某些化学性质,五、水的侵蚀性,（,1,）,对混凝土的侵蚀作用,含,CO,2,的地下水对混凝土侵蚀。,保持反应式平衡的,CO,2,平衡二氧化碳；,与,CaCO,3,反应所消耗的那部分游离,CO,2,侵蚀性二氧化碳。,9.3,地下水的某些化学性质,五、水的侵蚀性,（,2,）,对金属的腐蚀作用,地下水中的铁被氢离子置换。,此外，还有结晶性侵蚀等对混凝土的破坏。,9.4,地下水化学成分的形成作用,一、溶滤作用,1.,定义：,水与岩土相互作用下，岩土中某些组分向地下水中转移的过程。其结果是：岩土失去部分可溶物质，地下水获得新的组分，水的矿化度升高。,2.,影响因素,（,1,）岩土,化学组分,（如石灰岩,HCO,3,-Ca,水、花岗岩,HCO,3,-Na,水）,组分的可溶性,（溶解度、溶解速度）：盐分溶解度的差异导致易溶的先进入水中，难溶的后进入水中。,岩土的空隙性,（,2,）水,水溶解能力,水中已溶组分的多少,随着盐分在水中的含量增高，溶解能力降低；,水中某些气体组分,O,2,增加硫化物的氧化；,CO,2,增加碳酸盐和硅酸盐类的溶解度,水的流动状况,通常刚渗入到地下的水,TDS,低，随着水在含水岩层的运移不断有新的盐分溶解到水中，水中,TDS,升高，水溶解能力降低，最终水的溶解能力降为,0,，溶滤作用是否停止？,地下水如何保持它的溶解能力？,地下水径流速度与交替强度,是决定溶滤作用强度最活跃最关键的因素！,地下水流动速度快，水交替（更新）迅速，,CO,2,、,O,2,不断补充，低,TDS,水不断更新溶解能力降低的水，溶滤作用强烈；滞流与流动缓慢的地下水，溶解能力最终降为,0,，溶解停止。,思考：,如果某地区地下水流动很快，水交替迅速，水化学特征如何？,溶滤作用很强烈，长期作用下去，地下水以低,TDS,的难溶离子为主，即,HCO,3,-CaMg,水，这是由溶滤作用的阶段性决定的！,开始,Cl,盐最易溶于水,随水带走；随后，,SO,4,盐被溶入水中,随水带走；最后，只剩下较难溶的碳酸盐类了。低,TDS,的淡水。,因此，溶滤作用：,要从地质历史发展的眼光来理解,它是地质历史长期作用的结果；,地下水是不断运动的,溶解的组分会被带走。,二、浓缩作用,定义：,地下水因蒸发失去水分，造成盐分积累浓缩的作用。,条件：,气候,干旱半干旱；地下水埋深,浅；岩土,颗粒细小，毛细作用大；地下水,排泄区。,结果：,高,TDS,，易溶离子为主的地下水（,Cl,-,、,Na+,为主）,三、脱碳酸作用,定义：,温度升高或压力降低时,CO,2,溶解度降低，游离,CO,2,从水中 逸出。如深部地下水上升成泉，泉口形成钙华。,Ca,2+,(Mg,2+,)+2HCO,3,-,CO,2,+H,2,O+CaCO,3,结果：,Ca,2+,、,Mg,2+,、,HCO3,-,降低，,TDS,降低。,四、脱硫酸作用,定义：,在还原环境中，当地下水中含有有机物时，微生物中的脱硫细菌将水中的,SO,4,2-,还原为,H,2,S,。,SO,4,2-,+2C+2H,2,O,H,2,S+2HCO,3,-,结果：,SO,4,2-,降低，,HCO,3,-,升高，,PH,增高，寻找油田的辅助标志。,五、阳离子的吸附交替作用,定义：,表面带负电荷的岩土颗粒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。,六、混合作用,定义：,成分不同的两种水混合后，形成化学成分与原来两者都不同的地下水。,七、人类活动,9.5,地下水化学成分的分析与资料整理,一、,地下水化学成分分析的种类及要求,根据工作目的和任务要求，水质分析项目可分为,简分析,、,全分析,和,专项分析,。,1.,简分析,目的：,了解区域水化学成分的概貌。,特点：,分析项目较少，成本不高，简便快速。,项目：,水的物理性质（定性），,HCO,3-,、,SO,4-,、,C1,-,、,Ca,2+,、,Mg,2+,、,Na,+,+K,+,、游离,CO,2,含量，及,pH,值、总硬度等。,9.5,地下水化学成分的分析与资料整理,2.,全分析,目的：,全面了解地下水化学成分。,特点：,分析项目较多，精度要求高，成本较高。,项目：,HCO,3,-,、,SO,4-,、,C1,-,、,NO,3-,、,NO,2-,、,CO,3-,、,F,-,、,I,-,、,Ca,2+,、,Mg,2+,、,Na,+,、,K,+,、,Fe,3+,、,Fe,2+,、,NH,4+,、,H,2,S,、游离,CO,2,含量，及,pH,值、耗氧量、总硬度及干涸残余物。,3.,专项分析,根据工作任务需要进行,.,取样,补给区、径流区、排泄区分别取控制性水样；,地表水与地下水有补给、排泄的地段取水样。,9.5,地下水化学成分的分析与资料整理,二、,地下水化学成分的表示方法,1.,离子表示法,1),离子毫克数表示法,以,mg/L,直接表达水中各种成分的绝对含量，但不便于比较。,2),毫克当量表示法,以,meq,/L,表示各种离子之间的数量关系和水化学性质。,计算方法：,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,注意：,水中阴阳离子的毫克当量数应该相等，否则有误。,9.5,地下水化学成分的分析与资料整理,分析误差计算：,全分析：,e,2%,，,简分析：,e,5%,。,3),毫克当量表示法,该法可知水中各种离子的相对含量。上述三种方法应相互参照使用。,阴离子毫克当量总数,阳离子毫克当量总数,某地地下水化学分析结果表示形式,离 子,mg,L,毫克当量,/L,毫克当量,其他成分,阳,离,子,Na,K,9,3,0,40,16,8,CO,2,11mg/L,总矿化度,120mg/L,水温,11,流量,2.6L/s,Ca,36,9,1,84,77,3,Mg,1,7,0,，,14,5,9,总计,47,，,9