地下水的物理性质和化学成分及其演变

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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,*,第六章 地下水的物理性质和化学成分及其演变,第六章 地下水的物理性质和化学成分及其演变,6.1,概述,6.2,地下水的物理性质,6.3,地下水的化学特征,6.4,地下水化学成分的形成作用,6.5,地下水化学成分的基本成因类型,6.6,地下水化学成分的分析内容与分类图示,第六章 地下水的物理性质和化学成分及其演变,6.1,概述,【,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,:,第六章 地下水的物理性质和化学成分及其演变,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。,硬度,硬度过低,会使心血管疾病的死亡率升高。,贡,水俣y病。,放射性,1),水质与人体健康,第六章 地下水的物理性质和化学成分及其演变,2),水质与农业生产,标准分类,本标准根据农作物的需求状况,将灌溉水质按灌溉作物分为三类:,一类:水作,如水稻,灌水量800m,3,/亩年。,二类:旱作,如小麦、玉米、棉花等。灌溉水量300m,3,/亩年。,三类: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,一般为200500m,3,/亩。,第六章 地下水的物理性质和化学成分及其演变,2),水质与农业生产,第六章 地下水的物理性质和化学成分及其演变,2),水质与农业生产,第六章 地下水的物理性质和化学成分及其演变,2),水质与农业生产,第六章 地下水的物理性质和化学成分及其演变,3),水质与工业生产,冷却用水:较,低温,度,盐类及硬度,浑浊度,硫化氢,酸碱类,腐蚀性成分,。,蒸汽锅炉用水:水质,硬度,足够小。,生产技术用水:,纺织,工业要求硬度小;,淀粉,工业要求不能有毒性和着色成分;,酿制啤酒,用水不能有硫酸钙存在,以保障麦芽发酵;,葡萄酒酿造,不,允许含有氯化钙和氯化镁,以免影响酵母菌的生长;,制糖,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、分解及结晶膨胀等侵蚀破坏作用。,第六章 地下水的物理性质和化学成分及其演变,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,第六章 地下水的物理性质和化学成分及其演变,5)含有大量盐类的地下水是宝贵的工业原料,Br/溴xi: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。,B/硼png: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。,Sr/锶s: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,第六章 地下水的物理性质和化学成分及其演变,“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,信息载体,。”,地下水的,化学成分,是地下,水,与,环境,自然地理、地质背景以及人类活动,长期相互作用的产物。一个地区,地下水的化学面貌,,反映了该地区,地下水的历史演变,。,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,。,第六章 地下水的物理性质和化学成分及其演变,6.2,地下水的物理性质,地下水的物理性质反映了,溶解和悬浮,在,水中的物质成分,和其,所处的地质环境,,也是,水质评价的直接指标,。,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。,1)温度,地壳表层有两个热能来源:一个是,太阳的辐射,,另一是来自,地球内部的热流,。,地壳表层可分为,变温带,、,常温带,及,增温带,。,第六章 地下水的物理性质和化学成分及其演变,变温带,受,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,呈现,地温,的,昼夜,变化和,季节,变化。,地温的昼夜变化只影响地表以下1,2m深。,变温带的下限深度一般为15,30m。此深度地温年变化小于0.1。,第六章 地下水的物理性质和化学成分及其演变,常温带,地,温一般比当地年平均气温高出1-2。在粗略计算时,可将当地的多年平均气温作为常温带地温。,第六章 地下水的物理性质和化学成分及其演变,常温带,常温带,第六章 地下水的物理性质和化学成分及其演变,增温带,常温带以下,地温受地球,内热影响,,通常随深度加大而有规律地升高。,增温带中的地温变化可用,【,地温梯度,】,表示。,地温梯度,是每增加单位深度时地温的增值,一般以/100m为单位。,温度每升高1,所需增加的深度(m)称为【,地热增温级】,(m/,),一般地区为:33m/,近代火山活动地区为:1m/,;如西藏羊八井达到0.3m/,前寒武纪地区为:100m/,第六章 地下水的物理性质和化学成分及其演变,总结,:,地下水的温度受其,赋存,与,循环,所处的,地温,控制。,处于,变温带,中的浅埋地下水,显示,微小的水温季节变化,。,常温带,的地下水水温与当地年平均气温很接近。这两带的地下水,常给人以“冬暖夏凉”的感觉。,增温带,的地下水随其赋存与循环深度的加大而提高,成为热水甚至蒸汽。如西藏羊八井的钻孔,获得温度为160的热水与蒸汽。,第六章 地下水的物理性质和化学成分及其演变,2)颜色,由于含有某种,离子,较多,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,二氧化碳清凉可口,重碳酸钙味美可口,氯化钠咸味,硫酸钠涩味,氯化镁或硫酸镁苦味,氯化亚铁墨水味,有机质或腐殖质甜味,但不宜饮用,氯化铁铁锈味,第六章 地下水的物理性质和化学成分及其演变,4)嗅,取决于所含的,气体成分,与,有机物质,硫化氢臭鸡蛋,腐殖质霉味,亚铁离子铁腥味,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,第六章 地下水的物理性质和化学成分及其演变,7)导电性,因为含有各种离子成分,离子浓度越高,温度越高,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,-9,g/L,10,-10,g/L,强,中等,弱,第六章 地下水的物理性质和化学成分及其演变,8)放射性,取决于其中放射性物质的含量,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,。,第六章 地下水的物理性质和化学成分及其演变,6.3,地下水的化学特征,6.3.1,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,微生物,等,主要的,气体组分,:,O,2,、N,2,、CO,2,、H,2,S、CH,4,、H,2,、碳氢化合物及少量的惰性气体。,来源,:,空气,(,O,2,、N,2,、CO,2,),、生物化学,(,H,2,S、CH,4,、N,2,、CO,2,),,化学及核反应(He、Rn),气体成分,存在,的意义,:气体成分能够说明,地下水所处的地球化学环境,;地下水中的有些气体会,增加水溶解盐类的能力,,,促进某些化学反应,。,第六章 地下水的物理性质和化学成分及其演变,1),氧(,O,2,),溶解于水中的氧称为“,溶解氧,”,其溶解量,随,水的矿化度,升高,、,埋藏,深度,增加,、,温度,升高,、,大气压力,降低,而,降低,。,氧的溶解度,含量分布特征,A),地下水中溶解的含量,一般在0,15mg/,L,B),地下水中的O,2,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,第六章 地下水的物理性质和化学成分及其演变,1),氧(,O,2,),氧的来源,A),主要,来源于,大气,,O,2,占大气21%,所以地下水中,O,2,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CO,2,转变为O,2,C),放射性作用,使水或水中有机物质分解而释出氧。,第六章 地下水的物理性质和化学成分及其演变,氧的水文地球化学作用,A,),O,2,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O,2,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。,第六章 地下水的物理性质和化学成分及其演变,2),氮,(,N,2,),来源,A),主要,来自大气,,N,2,占大气的,78%,。,B),在封闭缺氧的地质构造,由于,去硝化作用,将,NO,3,-,和,NO,2,-,转为,N,2,。,第六章 地下水的物理性质和化学成分及其演变,2),氮,(,N,2,),A)由于N,2,的化学性质不及氧活泼,它的分布随深度的减少,不及O,2,明显,B)大气中的惰性气体(Ar/氩、Kr/氪、Xe/氙xin)与N,2,的比例恒定,即:(Ar+Kr+Xe)/N,2,=0.0118。,比值等于此数,说明N,2,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N,分布特征,第六章 地下水的物理性质和化学成分及其演变,3)硫化氢(,H,2,S,),天然水中,H,2,S能以溶解,气体,及,硫氢酸,的离解形式存在,:,地下水中H,2,S的,存在形式,A)在酸性介质中(pH6.5,),,呈H,2,S溶解,气体,的形式存在,B)在碱性介质中(pH7.5),呈,HS,-,形式存在;,C)中性介质(pH6.57.5),H,2,S、HS,-,各占一部分。,水中,H,2,S,衍生物的比例与,pH,值的关系,由于H,2,S的二级电离常数极小,所以,S,2-,在水中极少见,第六章 地下水的物理性质和化学成分及其演变,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,H,2,S含量较高,可达几十g/L几百mg/L,。,H,2,S的存在说明地下水处于还原环境。,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H,2,S;火山喷发气体的析出。,第六章 地下水的物理性质和化学成分及其演变,4)二氧化碳(,CO,2,),基本概念,A,)游离CO,2,溶解于水中的,CO,2,统称为游离,CO,2,B,)平衡CO,2,与,HCO,3,-,相平衡的,CO,2,,称为平衡,CO,2,C,)侵蚀性CO,2,当水中“游离,CO,2,”,,大于“平衡,CO,2,”,时,多余部分的,CO,2,对碳酸和金属构件等具有侵蚀性,这部分,CO,2,,即为“侵蚀性,CO,2,”,第六章 地下水的物理性质和化学成分及其演变,来源,A,),空气中的CO,2,空气中的,CO,2,按体积只占,0.3%,,可造成水中,0.5mg/L,的,CO,2,B,),土壤中,生物化学作用,的CO,2,(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CO,2,如在地下,6,米深的空气中含,7%,的CO,2,,比地面空气中的含量增加很多倍,从而土壤上CO,2,成为浅部地下水中CO,2,的主要来源,C,),深部地壳中发生的,各种变质作用,产生的CO,2,第六章 地下水的物理性质和化学成分及其演变,D,)幔源碳逸出,E,),岩浆分异作用,产生的CO,2,地幔中,含丰富的CO,2,和CH,4,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,CH,4,等碳氢化合物在上升过程中被氧化成CO,2,岩浆分异的气体中,,CO,2,仅次于水蒸汽占第,2,位,分布特征,A)一般地下水中游离CO,2,为,1540mg/L,,很少超过,150mg/L,B)矿泉水中CO,2,含量很高,几百,mg/L,至几十,g/L,。,如:江西崇仁马鞍坪温泉CO,2,=7,50,mg/L,,江西寻乌温泉CO,2,=1193mg/L,。前苏联高加索矿水区,地下,1300m,深处碳酸水,CO,2,4000mg/L,C)现代火山活动区,地下水中CO,2,50010000mg/L,。,第六章 地下水的物理性质和化学成分及其演变,碳酸水的利用,A,)天然饮料矿泉水:水中,CO,2,大于,250mg/L,B,)碳酸泉:水中,CO,2,大于,750mg/L,C,)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(,CH,4,),CH,4,是最简单的有机物,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CH,4,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CH,4,气体。当地下水中有硫酸盐时,甲烷能促使还原而产生H,2,S气体,甲烷是强还原环境标志之一。,第六章 地下水的物理性质和化学成分及其演变,1,王慎义,浦勇,.,泰汶石膏矿防治硫化氢气体及地下水的技术研究,J.,非金属矿,,2008,(,5,),2,乔海明,宋哲,章金彪,.,十红滩铀矿床地下水中的气体在成矿过程中的作用,J.,铀矿地质,,2009,(,4,),.,第六章 地下水的物理性质和化学成分及其演变,6.3.2 地下水中的主要离子成分,Cl,、,SO,4,2,、,HCO,3,(,CO,3,2,),Na,、,K,、,Ca,2,、,Mg,2,第六章 地下水的物理性质和化学成分及其演变,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,HCO,3,-,及,Ca,2+,、Mg,2+,为主;,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,S,O,4,2-,为主,主要阳离子则可以是,Na,+,,也可以是,Ca,2+,。,这是因为:,地下水中常见盐类的溶解度(,0,,单位,g/L,),第六章 地下水的物理性质和化学成分及其演变,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),氯离子,(,C,l,),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,第六章 地下水的物理性质和化学成分及其演变,A,),来自,沉积岩,中所含,岩盐,或其它,氯化物,的,溶解,;,B,),来自,岩浆岩,中含,氯矿物,。,氯磷灰石,Ca,5,(,P,O,4,),3,Cl,、方钠石,NaAlSiO,4,NaCl,的风,化溶解,;,C,),来自,海水,。海水补给地下水,或者来自海面的风将细沫状的海水带到陆地,使地下水中,Cl,-,增多;,D,),来自,火山喷发物,的溶滤;,E,),人为污染:工业、生活污水及粪便中含有大量C1,-,。,来源,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。,第六章 地下水的物理性质和化学成分及其演变,2),硫酸根(,SO,4,2,),迁移性能,迁移性能较强,仅次于,Cl,。,SO,4,2,的迁移性能受下列四个因素控制:,A),水中,SO,4,2,易与,Ca,2,、,Ba,2,、,Sr,2,等离子形成,难溶盐,。,B),热带潮湿地区土壤中的,Fe(OH),2,、,Al(OH),2,2,胶体可以吸附,SO,4,2,。,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,,SO,4,2,被还原成,H,2,S等的过程。,第六章 地下水的物理性质和化学成分及其演变,分布规律,A),随地下水矿化度增高,,SO,4,2,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,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SO,4,2-,形式大量进入水中。例如:(黄铁矿),第六章 地下水的物理性质和化学成分及其演变,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,SO,4,2,E,),有机物的分解,F,),生活、工业、农业废水,由于CaSO,4,的溶解度较小,限制了SO,4,2-,在水中的含量,所以地下水中的SO,4,2-,远不如C1,-,来得稳定,最高含量也远低于C1,-,。,来源,2),硫酸根(,SO,4,2,),A),B),第六章 地下水的物理性质和化学成分及其演变,3),H,CO,3,和,CO,3,2,分布规律,HCO,3,在低矿化度水中主导地位,在阴离子中占首位。在某些含,CO,2,的水中,,HCO,3,含量可达1000mg/L,以上,。,例如横迳,(赣南),温泉水中HCO,3,含量高达2253mg/L,,强碱、强酸水中,HCO,3,极少见。天然水中,CO,3,2,含量一般很低,但在苏打水中可达到很高,第六章 地下水的物理性质和化学成分及其演变,来源,A)大气中,CO,2,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,HCO,3,主要来自,铝硅酸盐矿物,的风化溶解,3),H,CO,3,和,CO,3,2,第六章 地下水的物理性质和化学成分及其演变,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,来源,如钠长石、斜长石、霞石,(钠的铝硅酸盐),第六章 地下水的物理性质和化学成分及其演变,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,K,+,与,Na,+,少,的比较,第六章 地下水的物理性质和化学成分及其演变,6),钙离子,(,Ca,2+,),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,在高矿水中,由于阴离子主要是,Cl,-,,而,CaCl,2,的溶解度相当大,故,Ca,2+,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,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,第六章 地下水的物理性质和化学成分及其演变,7),镁离子,(,Mg,2+,),Mg,2+,在地矿化水中含量通常较Ca,2+,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,来源,第六章 地下水的物理性质和化学成分及其演变,6.3.3 地下水中的其它成分,1)胶体成分,硅酸,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;但在碱性热水中,可达到100mg/L。,南方多雨潮湿的结晶岩地区,在一些低矿化度水中富集了硅酸盐型水。,粘土矿物,即是,硅铝酸化合物,胶体,最简单的形式如Al,2,O,3,2SiO,2,2H,2,O,,硅铝酸阴离子使粘土胶体离子带有负电荷,,是吸附阳离子的主要原因。,结合水,阳离子交替吸附,第六章 地下水的物理性质和化学成分及其演变,胶体氢氧化铁,在地壳中分布很广,也是铁在天然水中存在的主要形式之一。,在还原环境中,地下水中的铁通常以低价Fe,2+,出现,亚铁离子在水中是不稳定的,极易氧化成氢氧化铁析出:,氢氧化铁,氢氧化铝,氢氧化铝胶体主要由,铝硅酸盐,风化分解而来,但很不稳定,容易形成水矾土、叶腊石等此生矿物,氢氧化铝在地下水中含量不高。,第六章 地下水的物理性质和化学成分及其演变,2)有机质,地下水中的有机质大部分,由腐殖质组成,,它是有机质经微生物,分解后再合成,的一种褐色或黑褐色的,胶体物质,。沼泽地区的地下水,有机质含量高,呈酸性,油田水中的有机质含量最高达,n,10,-3,。大气降水和海洋水中有机质含量最少,其他地下水中含量只有,n,10,-5,。,构成有机质的主要元素,碳、氢、氧,占98.5%,此外还有少量的氮、磷、硫、钾、钙等元素。,地下水中有机质主要,来源,是土壤或岩石石油天然气的溶解,细菌或生物的作用,沿海盐水的入侵等。此外工业废水、石油、天然气、煤等矿产开发,农业灌溉以及城市污染等也能形成有机质。,第六章 地下水的物理性质和化学成分及其演变,3)细菌成分(微生物),地下水中的细菌成分,来自,生活污水、生物制品、造纸等各种工业废水,这些污水中往往含有个中病原菌,流入水体后会传染各种疾病。此外,人类及动物的排泄物也能产生致病菌,污染地下水。,水的细菌分析结果一般用细菌总数(每升水)、菌度(含有一条大肠杆菌的水的毫升数)和检定量(1L水中大肠杆菌的含量)表示。我国规定1mL饮用水中细菌总数不得超过100个,1L水中大肠杆菌不得超过3个。,地下水卫生状况按菌度划分表,第六章 地下水的物理性质和化学成分及其演变,6.4,地下水化学成分的形成作用,第六章 地下水的物理性质和化学成分及其演变,6.4.1,溶滤作用,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,与,结晶,同时进行,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,第六章 地下水的物理性质和化学成分及其演变,6),温度,对,溶解度的,影响,随着,温度上升,,结晶格架内离子的,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,Na,2,SO,4,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;,CaCO,3,及,MgCO,3,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。,第六章 地下水的物理性质和化学成分及其演变,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:,组成岩土的矿物盐类的溶解度,NaCl与SiO,2,比较,岩土的空隙特征,缺乏裂隙的致密基岩,水难以与矿物盐类接触,溶滤作用便也无从发生,。,水的溶解能力决定着溶滤作用的强度,总的说来,,低矿化水溶解能力强,而,高矿化水弱,。,水中CO,2,、O,2,等气体成分的含量决定着某些盐类的溶解能力,如水中CO,2,含量愈高,溶解,碳酸盐,及硅酸盐的能力愈强。O,2,的含量愈高,水溶解,硫化物,的能力愈强。,水的流动状况,第六章 地下水的物理性质和化学成分及其演变,水的流动状况,流动停滞,的地下水,最终将失去溶解能力,溶滤作用便告终止。,地下水流动迅速,,矿化度低的、含有大量CO,2,、O,2,的大气降水和地表水,不断更新含水层中原有的溶解能力已经趋于饱和的水,溶滤作用便持续地强烈发育。,地下水的径流与交替强度,是决定溶滤作用强度的,最活跃最关键的因素,8),溶滤作用,与纯化学的,溶解作用,的区别,溶滤作用,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,。,第六章 地下水的物理性质和化学成分及其演变,经受构造变动与剥蚀作用的岩层,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。,第六章 地下水的物理性质和化学成分及其演变,溶滤作用,空间上的差异性,难溶离子的相对含量也就愈高,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,第六章 地下水的物理性质和化学成分及其演变,6.4.2 浓缩作用,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),第六章 地下水的物理性质和化学成分及其演变,6.4.2 浓缩作用,2,)浓缩作用,对地下水矿化度的影响,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“,走,”盐“,留,”,第六章 地下水的物理性质和化学成分及其演变,3)产生浓缩作用,必须同时具备的条件,干旱或半干旱的,气候,;,较浅的,地下水位埋深,;,有利于毛细作用,的颗粒细小的松散岩土;,空间上位于地下水流动系统的势汇排泄处。,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,。,第六章 地下水的物理性质和化学成分及其演变,思考:,纯粹的蒸发,浓缩作用,有什么不同之处?,第六章 地下水的物理性质和化学成分及其演变,水中的CO,2,溶解度受环境的,温度,和,压力,控制。CO,2,的溶解度随温度升高或压力降低而减少,一部分CO,2,将成为游离CO,2,从水中逸出,这便是,脱碳酸作用,。,脱碳酸的,结果,:,地下水中HCO,3,-,及Ca,2+,,Mg,2+,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,6.4.3 脱碳酸作用,第六章 地下水的物理性质和化学成分及其演变,6.4.3 脱碳酸作用,壮观的黄龙钙华,第六章 地下水的物理性质和化学成分及其演变,6.4.3 脱碳酸作用,含碳酸氢钙的,地热水,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。,钙华矿物成分主要为,方解石,和,文石,;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,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”举世无匹,细高的钙华柱高达7米。,钙华一般为低温地热显示,。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。,非热泉的碳酸钙化学沉积最好叫石灰华。,第六章 地下水的物理性质和化学成分及其演变,6.4.4 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S,O,4,2-,还原为H,2,S,:,结果使地下水中S,O,4,2-,减少以至消失,HCO,3,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H,2,S,,而,S,O,4,2,含量很低。,这一特征可以作为寻找油田的辅助标志。,第六章 地下水的物理性质和化学成分及其演变,6.4.5 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。,一、,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,+,Fe,3+,Al,3+,C,a,2+,Mg,2+,K,+,Na,+,离子,价愈高,,离子,半径愈大,,,水化离子,半径愈小,,则吸附能力愈大。H,+,则是例外。,第六章 地下水的物理性质和化学成分及其演变,如:,当含,Ca,2+,为主的地下水,,进入主要吸附有,Na,+,的岩土,时,水中的Ca,2+,便置换岩土所吸附的一部分Na,+,,使地下水中,Na,+,增多,而,Ca,2+,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。,第六章 地下水的物理性质和化学成分及其演变,二、,阳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。,三、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,+,?,第六章 地下水的物理性质和化学成分及其演变,6.4.6 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,两种地下水,的混合。,当以SO,4,2,、Na,+,为主的地下水,与HCO,3,、Ca,2+,为主的水混合时:,结果,:,石膏沉淀析出,形成以,HCO,3,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(HCO,3,),2,Ca,(,HCO,3,),2,+Na,2,SO,4,CaSO,4,+2NaHCO,3,第六章 地下水的物理性质和化学成分及其演变,6.4.7 生物化学作用,地下水中,有机物质的含量,与,微生物的活动,,对地下水化学成分的演变有特殊的作用。,许多研究证明,无论是埋藏不深的潜水,还是循环,在,1000m,或更大深度的地下水中,微生物都有能力发展和活动。,微生物还能够适应很宽的温度范围,即从零下几度到零上,85,微生物分为好氧细菌和厌氧细菌两种。,好氧细菌,仅仅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,,,存在于,潜水,;,厌氧细菌,生活在没有自由氧中,但对它必须的氧,它可以从有机氧化物中或从矿物盐类,硝酸盐、硫酸盐等重取得。存在于封闭的,含水层,。,第六章 地下水的物理性质和化学成分及其演变,6.4.7 生物化学作用,1,)硫黄细菌,它能使,H,2,S,和,S,氧化成硫酸,2H,2,S+O,2,2H,2,O+S,2,S,2,+3O,2,+2H,2,O2H,2,SO,4,硫酸又和水中的碳酸盐中和成为硫酸盐沉淀析出:,H,2,SO,4,+CaCO,3,CaSO,4,+H,2,O+CO,2,2,)去硫细菌,脱硫酸作用,第六章 地下水的物理性质和化学成分及其演变,第六章 地下水的物理性质和化学成分及其演变,6.4.8 人类活动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;,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。,第六章 地下水的物理性质和化学成分及其演变,6.5,地下水,化学,成分的基本成因类型,比较一致的,地下水的来源理论,:地球上的水圈是原始地壳生成后,氢和氧随同其易挥发组分从地球内部层圈逸出而形成。从形成地下水化学成分的基本成分出发,可将地下水分为三个主要成因类型:溶滤水、沉积水和内生水。,6.5.1 溶滤水,定义,:,富含CO,2,与O,2,的渗入成因的地下水,溶滤它所流经的岩土而获得其主要化学成分,这种水称之为溶滤水。,影响因素,:溶滤水的成分受到,岩性,、,气候,、,地貌,等因素,由溶滤作用强度的影响因素,思考影响溶滤水的化学成分的因素?,第六章 地下水的物理性质和化学成分及其演变,1),岩性,石灰岩、白云岩,分布区,,地下水中以,HCO,3,、Ca,2+,、Mg,2+,为主。,含石膏的沉积岩,区,水中S,O,4,2,与Ca,2+,均较多。,酸性岩浆岩,地区的地下水,大都为HCO,3,Na,型水。,基性岩浆岩,地区,地下水中常富含,Mg,2+,。,煤系地层分布区与金属矿床分布区多形成,硫酸盐,水。,第六章 地下水的物理性质和化学成分及其演变,2),气候,判断:,地下水流经什么岩土,必定具有何种化学成分,。,因为:,岩土的各种组分,其迁移能力各不相同。,潮湿气候区,干旱气候下平原盆地的排泄区,大范围来看:,溶滤作用主要受气候控制,显示气候控制的分带性。,第六章 地下水的物理性质和化学成分及其演变,3),地形,干扰气候控制的,分带,性,切割强烈的,山区,:,地下水径流条件好,水交替迅速,,即使气候干旱,也不易发生蒸发浓缩,最终,,常形成低矿化的以难溶离子为主,的,地下水。,地势低平的平原与盆地,:,水交替缓慢,地下水的矿化度与易溶离子含量均较高。,干旱地区的山间堆积盆地,,三种影响因素,表现为统一的分带性,地下水化学分带也最为典型,。,绝大部分地下水属于溶滤水,。包括潜水,也包括大部分承压水。,第六章 地下水的物理性质和化学成分及其演变,3),地形,干扰气候控制的,分带,性,(P52),同一含水系统的不同部位,由于,径流条件,与,流程长短,不同,,水交替程度不同,,从而出现,水平,的或,垂向,的水化学分带。,第六章 地下水的物理性质和化学成分及其演变,6.5.2 沉积水,定义,:,沉积水指与沉积物大体同时生成的,古地下水,海相沉积物,海相淤泥为例说明,海相淤泥通常含有大量有机质和各种微生物,处于缺氧环境,,有利于生物化学作用,。,海水的平均化学成分是矿化度35g/L的氯化钠水。,经过一系列的后期变化,海相淤泥沉积水与海水比较有,以下不同,:,第六章 地下水的物理性质和化学成分及其演变,矿化度很高,最高可达,300g/L,钙的相对含量,增大,,钠,的,相对含量,减少,硫酸根离子减少乃至消失,钠离子与钙离子平衡破坏,阳离子交替吸附,第六章 地下水的物理性质和化学成分及其演变,富集溴、碘,;,碘的含量升高尤为明显,出现硫化氢、甲烷、氮、铵,pH值增高,(?),细胞与蛋白质分解以及,脱销酸作用,的产物,生物富集并在其遗骸分解时进入水中所致。,判断海相沉积的标志之一。,第六章 地下水的物理性质和化学成分及其演变,6.5.3 内生水,早在本世纪初,曾把,温热地下水,看作岩浆分异的产物。后来发现,在大多数情况下,温泉是大气降水渗入到深部加热后重新升到地表形成的。,近些年来,某些学者通过对地热系统的,热均衡分析,得出,仅靠水渗入深部获得的热量无法解释某些高温水的出现,认为应,有,10,%,30,%,的来自地球深部层圈的高热流体的加入。,这样,源自地球深部层圈的,内生水说,又逐渐为人们所重视。有人认为,深部高矿化卤水的化学成分也显示了内生水的影响。,内生水的研究迄今还很不成熟,但由于它涉及水文地质学乃至地质学的一系列重大理论问题,因此,今后水文地质学的研究领域将向地球深部层圈扩展,更加重视内生水的研究。,第六章 地下水的物理性质和化学成分及其演变,6.6,地下水化学成分的分析内容与分类图示,6.,6,.1地下水化学成分的分析内容,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,利与弊,简分析与全分析,地下水补给来源的分析,第六章 地下水的物理性质和化学成分及其演变,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。,第六章 地下水的物理性质和化学成分及其演变,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:,第六章 地下水的物理性质和化学成分及其演变,二、库尔洛夫式表示法,库尔洛夫式是用,分数的形式,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。,气体成分及特殊组分,矿化度(,M,),列,在,分式的左边,,单位为,g/L,,,右边,列上水温(,t,),pH值等。,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:,第六章 地下水的物理性质和化学成分及其演变,例题现有河北某区水化学分析结果如下(单位:,mg/L,),离子成分,:,K,+,:,27.40,,,Na,+,:,12.46,,,Ca,2+,:,66.56,,,Mg,2+,:,16.14,,,NH,4,+,:,0.28,,,Cl,:,35.20,,,SO42,:,68.67,,,HCO,3,:,160.49,,,NO,3,:,61.66,微量组分,:,F,:,0.11,,,Sr,:,0.37,,,H,2,SO,3,:,17.78,,,CO,2,:,1.33,其他要素:,M=386.51,,,pH=7.8,,,t=20,,,Q=15.78L/s,第六章 地下水的物理性质和化学成分及其演变,第六章 地下水的物理性质和化学成分及其演变,第六章 地下水的物理性质和化学成分及其演变,3,)各离子的毫克当量百分数,库尔洛夫式是用,分数的形式,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:,第六章 地下水的物理性质和化学成分及其演变,第六章 地下水的物理性质和化学成分及其演变,例题现有河北某区水化学分析结果如下(单位:,mg/L,),离子成分,:,K,+,:,27.40,,,Na,+,:,12.46,,,Ca,2+,:,66.56,,,Mg,2+,:,16.14,,,NH,4,+,:,0.28,,,Cl,:,35.20,,,SO42,:,68.67,,,HCO,3,:,160.49,,,NO,3,:,61.66,微量组分,:,F,:,0.11,,,Sr,:,0.37,,,H,2,SO,3,:,17.78,,,CO,2,:,1.33,其他要素:,M=386.51,,,pH=7.8,,,t=20,,,Q=15.78L/s,第六章 地下水的物理性质和化学成分及其演变,第六章 地下水的物理性质和化学成分及其演变,三、舒卡列夫分类,四、其它分类方法,1,吴敬炳按化学成分的地下水分类及水分析资料的系统整理,J.,水文地质工程地质,.1958,,(,10,),.,
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