水文地质学基础 第六章 地下水的化学成分及其形成作用

1、第六章第六章 地下水的化学成分及其形成作用地下水的化学成分及其形成作用6.1 6.1 研究地下水化学成分的意义研究地下水化学成分的意义1.1.水是复杂的水溶液；水是复杂的水溶液；2.2.确定地下水的起源与形成。确定地下水的起源与形成。3.3.各种目的利用地下水对水质有要求；各种目的利用地下水对水质有要求；4.4.是宝贵的液体矿产，需要查明有关组分的富集规是宝贵的液体矿产，需要查明有关组分的富集规律。律。5. 5. 作为找矿的标志。作为找矿的标志。6. 6. 作为地下水污染程度的标志。作为地下水污染程度的标志。6.2 6.2 地下水的化学特征地下水的化学特征元素在地下水中的含量，取决于其在地壳中

2、的元素在地下水中的含量，取决于其在地壳中的含量及其溶解度。含量及其溶解度。元素在地下水中一般以离子、分子或气体状态元素在地下水中一般以离子、分子或气体状态存在，以离子状态为主。存在，以离子状态为主。一、一、 地下水中主要气体成分地下水中主要气体成分主要气体成分：主要气体成分： O2、N2、CO2、CH4、H2S等，以前三种为主。等，以前三种为主。气体成分的意义：气体成分的意义： 1.反映了地下水所处的地球化学环境的特征反映了地下水所处的地球化学环境的特征. O2起源于大气并指示氧化环境。影响地下水中元素的迁起源于大气并指示氧化环境。影响地下水中元素的迁移和化学成分的形成。移和化学成分的形成。

3、N2的单独存在，可说明地下水起源于大气并处于还原环的单独存在，可说明地下水起源于大气并处于还原环境境. 大气中（大气中（ArKrXe）/N20.0118。据此可用以判断。据此可用以判断地下水中地下水中N2的起源的起源. H2S、CH4说明处于缺说明处于缺O2的还原环境。一般出现在封闭地的还原环境。一般出现在封闭地质构造的地下水中质构造的地下水中 。若浅部地下水中出现，则是受到了若浅部地下水中出现，则是受到了污染。污染。2.增加水溶解盐类的能力，促进某些化学反应增加水溶解盐类的能力，促进某些化学反应.如：如：CO2可促进碳酸盐类的溶解。可促进碳酸盐类的溶解。二、地下水中主要离子成分二、地下水中主

4、要离子成分主要离子共主要离子共7种：种： Cl、SO42、HCO3、Na、K、Ca2、Mg2占主要地位离子随矿化度（含盐量）的变化：占主要地位离子随矿化度（含盐量）的变化： 低矿化水低矿化水以以HCO3及及Ca2 ，Mg2为主；为主； 中等矿化水中等矿化水以以SO42及及Na为主，阳离子也可以为主，阳离子也可以是是Ca2 ； 高矿化水高矿化水以以Cl及及Na为主。为主。 1. Cl（高矿化水的主要阴离子（高矿化水的主要阴离子)广泛分布于地下水中广泛分布于地下水中. 含量变化大，由数含量变化大，由数mg/l数百数百g/l。常可用来说明地下水的矿化程度。常可用来说明地下水的矿化程度。来源：来源：

5、沉积岩、岩浆岩的溶解；沉积岩、岩浆岩的溶解； 海水；海水； 来自火山喷发物的溶滤；来自火山喷发物的溶滤； 人为污染。人为污染。 注意：注意： 居民点附近矿化度不高的地下水中如发现居民点附近矿化度不高的地下水中如发现Cl含量含量超过一般情况，则说明已受到污染。超过一般情况，则说明已受到污染。2. SO42（中等矿化水主要的阴离子）中等矿化水主要的阴离子） SO42在水中的含量受在水中的含量受Ca2的限制，在还原环境的限制，在还原环境中可被还原成中可被还原成H2S。远不如。远不如Cl含量高。含量高。 来源：来源： 含石膏或其它硫酸盐沉积物的溶解；含石膏或其它硫酸盐沉积物的溶解； 天然硫或硫化矿物的

6、氧化天然硫或硫化矿物的氧化 化石燃料的燃烧。化石燃料的燃烧。煤系煤系地层常含有很多黄铁矿，因此流经这类地层地层常含有很多黄铁矿，因此流经这类地层的地下水往往以的地下水往往以SO42为主；为主； 金属硫化物矿床附近的地下水中常以金属硫化物矿床附近的地下水中常以SO42为主。为主。3. HCO3（低矿化水的主要阴离子）（低矿化水的主要阴离子）分布广泛，但含量一般不超过数百分布广泛，但含量一般不超过数百mg/l. 除了酸性水外，所有淡水中除了酸性水外，所有淡水中HCO3均可出现。均可出现。 来源：来源： 碳酸盐岩石的溶解：碳酸盐岩石的溶解： 岩浆岩与变质岩地区，铝硅酸盐矿物的风化溶解。岩浆岩与变质岩

7、地区，铝硅酸盐矿物的风化溶解。4. Na（高矿化水的主要阳离子（高矿化水的主要阳离子 ） 低矿化水中，低矿化水中，Na含量仅数含量仅数mg/l数十数十mg/l； 高矿化水中，高矿化水中， Na含量最高可达数十含量最高可达数十g/l。来源：来源： 沉积岩、岩浆岩和变质岩的溶解；海水；沉积岩、岩浆岩和变质岩的溶解；海水；5. K 地下水中地下水中K的含量只有的含量只有Na含量的含量的410。 一般将一般将K归并到归并到Na中进行分析，不另区分。中进行分析，不另区分。 如如Na（+ K ）6. Ca2（低矿化水的主要阳离子）（低矿化水的主要阳离子） 含量一般不超过数百含量一般不超过数百mg/L 来源

8、：来源： 碳酸盐类沉积物及含石膏沉积物的溶解；碳酸盐类沉积物及含石膏沉积物的溶解； 岩浆岩及变质岩中含钙矿物的风化溶解。岩浆岩及变质岩中含钙矿物的风化溶解。 7. Mg2 化学性质及来源与化学性质及来源与Ca2 相近，但地壳组成中相近，但地壳组成中Mg2比较少，因此含量通常较比较少，因此含量通常较Ca2 少。少。三、地下水中的其它成分三、地下水中的其它成分次要离子：次要离子： H、Fe2、Fe3、Mn2、NH4、OH、NO3、NO2、CO32等；等；微量元素：微量元素：Br、I、F、B、Sr等；等；胶体：胶体：如如Fe(OH)3，Al(OH)3和和H2SiO2等。等。有机质有机质微生物微生物四

9、、地下水主要化学性质四、地下水主要化学性质（一）酸碱性（一）酸碱性 1.表示方法：表示方法：PHlgH+ PH7 ,水呈中性水呈中性; PH7 , 水呈碱性水呈碱性2.地下水按地下水按PH值分类：值分类：PH值值9酸碱度酸碱度 强酸性强酸性 弱酸性弱酸性中性中性弱碱性弱碱性 强碱性强碱性（二）总矿化度（二）总矿化度（总含盐量、总溶解固体（总含盐量、总溶解固体TDS）1.总矿化度：总矿化度：地下水中所含各种离子、分子及化合地下水中所含各种离子、分子及化合物的总量。以物的总量。以g/L表示。表示。2.表示方法：表示方法： 105110时，将水烘干后所得的干涸残余物时，将水烘干后所得的干涸残余物的总

10、量的总量 按化学分析所得的全部离子、分子及化合物量按化学分析所得的全部离子、分子及化合物量相加。（其中相加。（其中HCO3含量应取一半）含量应取一半）3.地下水按总矿化度分类：地下水按总矿化度分类：矿化度矿化度（g/L）50地下水类别地下水类别淡水淡水微咸水微咸水咸水咸水盐水盐水卤水卤水（三）硬（三）硬 度度1.硬度：硬度：水中水中Ca2、Mg2含量。含量。2.分类：分类： 总硬度：总硬度：水中所含水中所含Ca2、Mg2的总量。的总量。 暂时硬度：暂时硬度：将水加热至沸腾后将水加热至沸腾后,由于形成碳酸盐沉淀而从由于形成碳酸盐沉淀而从水中析出的那一部分水中析出的那一部分Ca2、Mg2的含量。的

11、含量。 永久硬度：永久硬度：水煮沸后仍留在水中的水煮沸后仍留在水中的Ca2、Mg2含量。含量。 碳酸盐硬度碳酸盐硬度:水中与水中与HCO3含量相当的含量相当的Ca2、Mg2含量含量. 当当Ca2+ + Mg2+ HCO3- 时时, 暂时硬度暂时硬度=总硬度总硬度. 当当Ca2+ Mg2+ HCO3- 时时, 暂时硬度暂时硬度=碳酸盐硬度碳酸盐硬度.3.表示方法：表示方法： 毫克数（毫克数（mg/L，以，以CaCO3计）计） 毫克当量数（毫克当量数（meg/L）：）： 一升水中含一升水中含Ca2、Mg2的的毫克当量总数。毫克当量总数。离子的当量离子量（原子量）离子的当量离子量（原子量）/ 离子价

12、离子价 化合物的当量化合物的当量=化合物分子量化合物分子量 / 阴（阳）离子价阴（阳）离子价 meg/Lmg/L /离子的当量离子的当量 德国度（德国度（H） ：相当于相当于1L水中含水中含10mgCa2或或7.2mgMg2的量。的量。1 meg/L2.8 H4.地下水按硬度分类：地下水按硬度分类： 饮用水的适宜硬度一般为饮用水的适宜硬度一般为4.29 meg/L，即，即1225H.地下水类型地下水类型极软水极软水软软 水水弱硬水弱硬水硬硬 水水极硬水极硬水硬度（硬度（mg/Lmg/L，以，以CaCOCaCO3 3计）计）757575751501501501503003003003004504

13、50450450硬度（硬度（meq/Lmeq/L）1.51.51.51.53 33 36 66 69 99 9硬度（硬度（H H）4.24.24.24.28.48.48.48.416.816.8 16.816.825.225.2 25.225.2（四）侵蚀性（四）侵蚀性1. 碳酸盐侵蚀碳酸盐侵蚀 CaCO3H2OCO2 Ca22HCO3 平衡平衡CO2 侵蚀性侵蚀性CO2 混凝土固结后，在其表面及内部皆形成混凝土固结后，在其表面及内部皆形成CaCO3。当含有侵蚀性当含有侵蚀性CO2的水与混凝土接触时，的水与混凝土接触时，CaCO3将将溶解，从而使混凝土结构遭到破坏。溶解，从而使混凝土结构遭到破

14、坏。2. 硫酸盐侵蚀（硫酸盐侵蚀（结晶性侵蚀结晶性侵蚀） 水中的可溶性离子（水中的可溶性离子（Na、K等）的硫酸盐与等）的硫酸盐与水泥中的水泥中的Ca(OH)2及水化铝酸钙发生反应，生成石及水化铝酸钙发生反应，生成石膏和钙钒石。膏和钙钒石。 钙钒石：钙钒石：CaO Al2O3 3CaSO4 32H2O 钙钒石体积约为原水化铝酸钙的钙钒石体积约为原水化铝酸钙的2.5倍，从而引倍，从而引起混凝土体积显著增大，结构疏松，遭受破坏。起混凝土体积显著增大，结构疏松，遭受破坏。 在在SO42含量高的水下建筑物中，可选用普通抗含量高的水下建筑物中，可选用普通抗硫酸盐水泥或高抗硫酸盐水泥。硫酸盐水泥或高抗硫酸

15、盐水泥。 3.酸性侵蚀酸性侵蚀 酸性水中铁置换酸性水中铁置换H的作用称为酸性侵蚀。的作用称为酸性侵蚀。 当当PH6.5时，水对铁质材料即有腐蚀作用，可将时，水对铁质材料即有腐蚀作用，可将水泵的使用年限缩短水泵的使用年限缩短5， PHFe3+Al3+Ca2+Mg2+K+Na+。 离子的浓度离子的浓度 浓度大的离子较浓度小的离子易被吸附。浓度大的离子较浓度小的离子易被吸附。 交替吸附作用的规模交替吸附作用的规模 比表面积（表面积比表面积（表面积 / 体积）愈大，交替吸附作用体积）愈大，交替吸附作用的规模也就愈大。的规模也就愈大。6. 混合作用混合作用 化学混合化学混合 物理混合物理混合7.人类活动

16、对地下水化学成分的影响人类活动对地下水化学成分的影响 消极：消极： 人类的工农业生产及日常生活使地下水污染。人类的工农业生产及日常生活使地下水污染。 滨海地区过量开采，引起海水入侵；滨海地区过量开采，引起海水入侵； 不合理开采使咸水进入淡含水层；不合理开采使咸水进入淡含水层； 不合理灌溉，造成土地盐渍化。不合理灌溉，造成土地盐渍化。 积极：积极： 如：兴修水利、修筑渠道，改善地下水质。如：兴修水利、修筑渠道，改善地下水质。6.5 地下水化学成分的基本成因类型地下水化学成分的基本成因类型 从形成地下水化学成分的基本成因出发，可将地下水分从形成地下水化学成分的基本成因出发，可将地下水分为三个主要成

17、因类型：为三个主要成因类型： 溶滤水溶滤水 富含富含CO2、O2的渗入成因的地下水，溶滤它所流经的岩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。称溶滤水。土而获得其主要化学成分。称溶滤水。 其成分受岩性、气候、地貌等因素影响。其成分受岩性、气候、地貌等因素影响。 沉积水沉积水 与沉积物大体同时生成的古地下水。与沉积物大体同时生成的古地下水。 其化学成分主要来源于形成沉积物的水体。其化学成分主要来源于形成沉积物的水体。 内生水内生水 源自地球深部层圈的水。源自地球深部层圈的水。 简分析：简分析：一般用于地下水普查阶段。以了解区域地下一般用于地下水普查阶段。以了解区域地下水化学成分

18、的概貌。水化学成分的概貌。 分析特点：分析特点：项目少，精度要求低，但要求快而及时。项目少，精度要求低，但要求快而及时。 分析项目：分析项目： 物理性质物理性质 定量分析：定量分析：HCO3、SO42、Cl、Ca2、总硬度、总硬度、PH值。值。 通过计算可求得水中各主要离子含量及总矿化度。通过计算可求得水中各主要离子含量及总矿化度。 定性分析：项目则不固定，较经常的有定性分析：项目则不固定，较经常的有NO3、NO2、NH4、Fe3、H2S、耗氧量等。、耗氧量等。6.6 地下水化学成分分析与资料整理地下水化学成分分析与资料整理全分析：全分析：在简分析的基础上选择有代表性的水样进行全分在简分析的基

19、础上选择有代表性的水样进行全分析。以较全面地了解地下水化学成分。析。以较全面地了解地下水化学成分。 特点：特点：分析项目较多，要求精度高，并非是将水中的全分析项目较多，要求精度高，并非是将水中的全部成分都加以分析。而是简分析的补充和提高。部成分都加以分析。而是简分析的补充和提高。 分析项目：分析项目：HCO3、SO42、Cl、CO32 、NO2、NO3、Ca2、Mg2、K、Na、NH4、Fe2、Fe3、H2S、CO2、耗氧量、耗氧量、PH值及干涸残余物。值及干涸残余物。专项分析：专项分析： 只分析一个或少数几个成分，分析项目根据具体任务确只分析一个或少数几个成分，分析项目根据具体任务确定。定。

20、 如：在对地下水质作动态观测时，可只选有代表性的离如：在对地下水质作动态观测时，可只选有代表性的离子作定期分析；子作定期分析； 为判明含水层之间是否有联系时，只需要作个别离子的为判明含水层之间是否有联系时，只需要作个别离子的分析；分析； 在为寻找饮用水源进行地下水调查时，需进行水中有毒在为寻找饮用水源进行地下水调查时，需进行水中有毒成分如成分如As（砷）、（砷）、Pb（铅）、（铅）、F（氟）等项目的分析。（氟）等项目的分析。三、水化学分析资料整理三、水化学分析资料整理(一一)各种离子浓度单位的换算：各种离子浓度单位的换算： 离子毫克数表示法：离子毫克数表示法：mg/l 离子毫克当量表示法：离子

21、毫克当量表示法：meq/L 离子毫克当量百分数离子毫克当量百分数meq%： 某阴（阳）离子某阴（阳）离子meq% 总数阴（阳）离子毫克当量当量数某一阴（阳）离子毫克100（二）水化学分析结果误差检验（二）水化学分析结果误差检验 e = （k a） (k + a)100% 式中：式中：k 阴离子总含量阴离子总含量(meq%); a 阳离子总含量阳离子总含量(meq%)。 一般要求：全分析一般要求：全分析e2%, 简分析简分析e5%, 否则结果不能采用。否则结果不能采用。(三）水化学成分的库尔洛夫式表示方法三）水化学成分的库尔洛夫式表示方法特殊成分特殊成分气体成分气体成分总矿化度总矿化度(M) 1.凡是凡是meg10的离子均列入分式。按由大到小的次的离子均列入分式。按由大到小的次序在分子的位置上排列阴离子，分母位置上排列阳离子。序在分子的位置上排列阴离子，分母位置上排列阳离子。 2.公式前端依次标示特殊成分、气体成分、矿化度公式前端依次标示特殊成分、气体成分、矿化度(M), 单单位均为位均为g/L。 3.水温水温t附于公式后端。附于公式后端。 4.百分含量值放在离子的右下角，至于某些成分，其右下百分含量值放在离子的右下角，至于某些成分，其右下角为原子数所占，则将该原子数移至右上角。角为原子数所占，则将该原子数移至右上角。 t10meg