水文地球化学电子教案4

1、主讲：苏春利中国地质大学（武汉）环境学院地下水基本成因类型地下水基本成因类型l按照按照地下水的形成起源地下水的形成起源可分为：可分为：l溶滤溶滤-渗入水渗入水l沉积沉积-埋藏水埋藏水同期沉积水同期沉积水非同期沉积水非同期沉积水含有一定比例的其他成因水含有一定比例的其他成因水l内生水内生水l溶滤溶滤- -渗入水渗入水溶滤溶滤- -渗入水为大气起源，溶滤作用对地渗入水为大气起源，溶滤作用对地下水化学成分的形成起重要作用。下水化学成分的形成起重要作用。l沉积沉积- -埋藏水埋藏水也称为封存水，埋藏于地质构造比较封也称为封存水，埋藏于地质构造比较封闭的地下环境中，其成分可在一定程度闭的地下环境中，其成

2、分可在一定程度上反映形成沉积物时盆地的特点。上反映形成沉积物时盆地的特点。在沉积在沉积- -埋藏水的形成过程中，一般经历埋藏水的形成过程中，一般经历以下的演化阶段，下面以海相地层为例以下的演化阶段，下面以海相地层为例说明。说明。以上演化过程在不同的地质历史时期可以上演化过程在不同的地质历史时期可能会循环往复许多次。由此可见，沉积能会循环往复许多次。由此可见，沉积- -埋藏水的形成过程及其水化学成分是非埋藏水的形成过程及其水化学成分是非常复杂的。常复杂的。l挤压阶段：挤压阶段：淤泥、粘土中的沉淤泥、粘土中的沉积水受挤压进入含水层积水受挤压进入含水层l渗入阶段：渗入阶段：沉积物出露地表，沉积物出露

3、地表，大气水或地表水入渗，并驱替沉大气水或地表水入渗，并驱替沉积水，发生水交替作用积水，发生水交替作用l下一个挤压阶段：下一个挤压阶段：形成新的淤形成新的淤泥、粘土；含水层中的水由中心泥、粘土；含水层中的水由中心向盆地两侧运移向盆地两侧运移l内生水内生水1902年年捷克鸩斯捷克鸩斯提出提出“初生水初生水” ，即岩浆分异出来的水（，即岩浆分异出来的水（岩浆岩浆水水），），认为该水首次流出地表，继而参与水圈总循环。认为该水首次流出地表，继而参与水圈总循环。1940年年苏联奥弗琴尼柯夫苏联奥弗琴尼柯夫认为岩浆中确有水存在，并可使地下水圈认为岩浆中确有水存在，并可使地下水圈的水在地壳发展过程中稍有增加

4、，但不能认为地下水的储量是岩浆的水在地壳发展过程中稍有增加，但不能认为地下水的储量是岩浆活动造成的；他将高温条件下矿物及岩石中结合态转变为游离态、活动造成的；他将高温条件下矿物及岩石中结合态转变为游离态、并转入现代水圈的水称为并转入现代水圈的水称为“再生水再生水”。1975年年加弗里连科加弗里连科，在承认初生水基础上，提出，在承认初生水基础上，提出“深成水深成水”，包括，包括沿深大断裂向地壳层和地表运移的，积极参与区域变质作用、接触沿深大断裂向地壳层和地表运移的，积极参与区域变质作用、接触交代作用和花岗岩化作用的大量交代作用和花岗岩化作用的大量初生水初生水，以及以上作用终止后从岩，以及以上作用

5、终止后从岩石中脱出的石中脱出的再生水再生水。这部分水仅当存在适当通道时，才溢出地表。这部分水仅当存在适当通道时，才溢出地表。 渗入成因的（溶滤渗入成因的（溶滤- -渗入水）渗入水） 外生的外生的 沉积成因的（沉积沉积成因的（沉积- -埋藏水）埋藏水）地下水地下水 变质成因的（变质水、再生水）变质成因的（变质水、再生水） 内生的内生的 岩浆成因的（初生水、岩浆水）岩浆成因的（初生水、岩浆水） 混混合合渗入成因地下水渗入成因地下水渗入成因渗入成因地下水成分的形成过程地下水成分的形成过程l渗入成因地下水的形成经历了：渗入成因地下水的形成经历了：一、大气降水阶段一、大气降水阶段l可溶性气体（可溶性气体

6、（O2, CO2, N2等）及惰性气体等）及惰性气体lCO2溶于水后，形成碳酸，降低了雨水的溶于水后，形成碳酸，降低了雨水的pH值，提高了它的值，提高了它的侵蚀性侵蚀性一、大气降水阶段一、大气降水阶段l受风卷送的海水飞沫等影响，其受风卷送的海水飞沫等影响，其Na，Cl，Br，I 等含量相等含量相对增高，在海边的雨水的矿化度可超过对增高，在海边的雨水的矿化度可超过0.1g/l。：l雨水是无色、无味的，所含离子主要为雨水是无色、无味的，所含离子主要为Ca2+和和HCO3-，矿矿化度一般为化度一般为0.0n克克/升。升。：l雨水中杂质比较多，矿化度可达雨水中杂质比较多，矿化度可达0.n克克/升。升。

7、二、植物二、植物-土壤影响阶段土壤影响阶段l1955年瑞典年瑞典Gorham 作了一个比较研究，在松柏针叶树树作了一个比较研究，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过植物的雨水的钠和钙含量高出3倍，钾则高出倍，钾则高出17倍。倍。二、植物二、植物-土壤影响阶段土壤影响阶段二、植物二、植物-土壤影响阶段土壤影响阶段l土壤的氧化还原条件改变金属元素的价态土壤的氧化还原条件改变金属元素的价态氧化条件下氧化条件下lAs、Fe、Mn形成难溶化合物，阻碍其随地下水迁移，并减小了对形成难溶化合物，阻碍其随地

8、下水迁移，并减小了对农作物的危害农作物的危害lCr、Zn、Cu、Cd形成易溶化合物，有利于其随地下水迁移，并形成易溶化合物，有利于其随地下水迁移，并加强了对农作物的危害加强了对农作物的危害还原条件下还原条件下lAs、Fe、Mn形成易溶化合物，有利于其随地下水迁移，并加强了形成易溶化合物，有利于其随地下水迁移，并加强了对农作物的危害对农作物的危害lCr、Zn、Cu、Cd形成难溶化合物，阻碍其随地下水迁移，并减形成难溶化合物，阻碍其随地下水迁移，并减小了对农作物的危害小了对农作物的危害二、植物二、植物-土壤影响阶段土壤影响阶段三、水三、水-岩相互作用阶段岩相互作用阶段l在气候温和，降水充沛，地下径

9、流发育的地区，岩石中在气候温和，降水充沛，地下径流发育的地区，岩石中的各种盐类在溶滤作用下依次溶出的各种盐类在溶滤作用下依次溶出 氯化物溶出，形成氯化物溶出，形成氯化物型水氯化物型水出现于出现于含盐层及盐渍化区含盐层及盐渍化区 硫酸盐及残余氯化物溶出，形成硫酸盐及残余氯化物溶出，形成硫酸盐型水硫酸盐型水出现于出现于干旱、干旱、半干旱大陆区和石膏区半干旱大陆区和石膏区 易溶盐大部分溶出后，含易溶盐大部分溶出后，含CO2的水使碳酸盐和铝硅酸盐产生的水使碳酸盐和铝硅酸盐产生不全等溶解，形成不全等溶解，形成重碳酸型水重碳酸型水出现于出现于陆源沉积的近海区、陆源沉积的近海区、碱土区和火山岩区碱土区和火山

10、岩区 当硅酸盐被溶滤时，可形成当硅酸盐被溶滤时，可形成含硅酸、含硅酸、Fe3+较高的重碳酸型较高的重碳酸型水水出现于出现于风化强烈的湿热气候区风化强烈的湿热气候区三、水三、水-岩相互作用阶段岩相互作用阶段溶滤作用溶滤作用三、水三、水-岩相互作用阶段岩相互作用阶段离子交换作用离子交换作用三、水三、水-岩相互作用阶段岩相互作用阶段氧化还原作用氧化还原作用Al, Fe, Mn的氢氧化物的氢氧化物SiO2和粘土矿物和粘土矿物Al, Fe, Mn的磷酸盐的磷酸盐Ca和和Mg的碳酸盐的碳酸盐CaSO4 （石膏）石膏）Na2SO4（芒硝）芒硝）Na, K的氯化物的氯化物Mg的氯化物的氯化物Na, K和和Ca

11、的硝酸盐的硝酸盐硅酸硅酸-重碳酸型水重碳酸型水重碳酸重碳酸-钙镁水钙镁水苏打水苏打水Na2SO4型水型水Cl-Na水水水中盐类析出顺序水中盐类析出顺序地下水化学成分变化地下水化学成分变化四、四、蒸发浓缩阶段蒸发浓缩阶段表生带地下水化学成分特征表生带地下水化学成分特征l渗入成因的溶滤潜水渗入成因的溶滤潜水弱酸性、重碳酸钙镁淡水弱酸性、重碳酸钙镁淡水库尔洛夫式库尔洛夫式l大陆盐化的潜水大陆盐化的潜水微咸、弱碱、硫酸盐微咸、弱碱、硫酸盐-氯化物氯化物-重碳酸重碳酸-钠钙镁钠钙镁库尔洛夫式库尔洛夫式l两种水两种水4:1混合混合重碳酸重碳酸-硫酸硫酸-钙钠镁水钙钠镁水库尔洛夫式库尔洛夫式表生带地下水的平

12、均化学成分特征表生带地下水的平均化学成分特征766012426497035158439380220.pHKNaMgCaFNOClSOHCOM8 . 71 . 26 .260 .313 .404039 . 036 .3093042 .3727. 1pHKMgCaNaFNOHCOClSOM.82. 60 . 26 .268 .338 .373039 . 08 .2249 .2831 .4943. 0pHKMgNaCaFNOClSOHCOM.表生带地下水化学成分特征表生带地下水化学成分特征1 1、大气降水；、大气降水；2 2、森林带的沼泽；、森林带的沼泽；3 3、热带森林；、热带森林；4 4、热带、

13、热带草原；草原；5 5、亚热带森林；、亚热带森林；6 6、亚热带草原；、亚热带草原；7 7、永冻原始森、永冻原始森林；林；8 8、高山；、高山；9 9、山区森林；、山区森林；1010、山区草原；、山区草原；1111、混合林、混合林带；带；1212、南方原始森林；、南方原始森林；1313、森林草原；、森林草原；1414、温带草原、温带草原不同岩性地区不同岩性地区地下水化学成分的形成、演化地下水化学成分的形成、演化l碳酸盐岩地区碳酸盐岩地区l复杂沉积岩地区复杂沉积岩地区l结晶岩地区结晶岩地区碳酸盐岩地区碳酸盐岩地区地下水化学成分的形成和特征地下水化学成分的形成和特征l碳酸盐岩约占地表沉积岩分布面积

14、的碳酸盐岩约占地表沉积岩分布面积的20%我国碳酸盐岩分布面积占整个国土面积的我国碳酸盐岩分布面积占整个国土面积的1/3，以西，以西南地区与华北地区最为发育。南地区与华北地区最为发育。l主要分布于主要分布于Z、O、D、 C、P、T及部分及部分J、K和和N 的海相地层中。的海相地层中。碳酸盐岩地区碳酸盐岩地区地下水组分形成的影响因素地下水组分形成的影响因素l地下水化学成分的形成与方解石和白云石地下水化学成分的形成与方解石和白云石的溶解的溶解-沉淀过程密切相关沉淀过程密切相关:l受岩溶地下水系统开、闭性的影响受岩溶地下水系统开、闭性的影响l受水与矿物的相遇顺序影响受水与矿物的相遇顺序影响l受其他矿物

15、的影响受其他矿物的影响l受地下水中其他组分的影响受地下水中其他组分的影响l受地下水流动过程中环境温度的影响受地下水流动过程中环境温度的影响岩溶地下水系统岩溶地下水系统开闭性对地下水的影响开闭性对地下水的影响l开系统开系统特征：特征：PCO2基本保持不变基本保持不变判据判据l流量、水位动态对旱雨季响应明显流量、水位动态对旱雨季响应明显l地下水中有来自地表的污染物（地下水中有来自地表的污染物（NO3、Cl、细菌）细菌）l地下水中的计算地下水中的计算PCO2高于大气高于大气PCO2岩溶地下水系统岩溶地下水系统开闭性对地下水的影响开闭性对地下水的影响l开系统开系统PCO2保持不变，方解石白云石不断保持

16、不变，方解石白云石不断溶解至饱和溶解至饱和Lg (HCO3)与与pH呈线形关系呈线形关系HCO3,Ca,TDS高，高，pH低，低，SI 1泉华：开系统中的地下水以泉出露泉华：开系统中的地下水以泉出露地表（从溶洞流出），地表（从溶洞流出），CO2溢出，溢出，Pco2降低降低，在泉口附近形成在泉口附近形成CaCO3 或或 CaMg(CO3)2 沉淀沉淀 2213 HpKKHCOCOCO岩溶地下水系统岩溶地下水系统开闭性对地下水的影响开闭性对地下水的影响l闭系统闭系统特征：特征：PCO2不断下降。不断下降。判据判据l流量、水位动态对旱雨季无明显响应流量、水位动态对旱雨季无明显响应l地下水中无来自地表

17、的污染物（地下水中无来自地表的污染物（NO3、Cl、细菌）细菌）l地下水中计算地下水中计算PCO2较低较低岩溶地下水系统岩溶地下水系统开闭性对地下水的影响开闭性对地下水的影响l闭系统闭系统PCO2快速下降，对方解快速下降，对方解石白云石溶解能力降低，石白云石溶解能力降低，达到饱和相对困难达到饱和相对困难HCO3与与pH呈非线性呈非线性, pH增加增加HCO3增加很少增加很少HCO3,Ca,TDS低，低，pH高，高，SI88）出露地表后变化出露地表后变化形成泉华形成泉华一般无泉华一般无泉华地下水组分变化大地下水组分变化大地下水组分变化小地下水组分变化小岩溶地下水系统岩溶地下水系统矿物溶解顺序对地

18、下水的影响矿物溶解顺序对地下水的影响l地下水流动过程中所遇到的矿物的顺序不同，将地下水流动过程中所遇到的矿物的顺序不同，将会导致地下水化学组分的差异会导致地下水化学组分的差异l3种溶解顺序种溶解顺序l白云石白云石方解石方解石l方解石方解石白云石白云石l同步溶解同步溶解l第一种溶解顺序：白云石第一种溶解顺序：白云石方解石方解石先遇白云石，饱和后，再遇方解石先遇白云石，饱和后，再遇方解石对于以上的溶解顺序，地下水温度将对水化学过程产生影响对于以上的溶解顺序，地下水温度将对水化学过程产生影响原因原因lKc=Ca2+CO32- lKd= Ca2+Mg2+CO32-2 Ca2+ CO32- 2lT =

19、10 C时，时，Kd = Kclt Kc ；即白云石饱和后，水流经方解石时出现沉淀即白云石饱和后，水流经方解石时出现沉淀lt 10 C时，时，Kd 白云石，故方解石先饱和而沉淀，白云石，故方解石先饱和而沉淀，白云石继续溶解白云石继续溶解；l结果：地下水中的结果：地下水中的Ca2+与与Mg2+的摩尔浓度之比初始值高，后的摩尔浓度之比初始值高，后来逐渐渐低；来逐渐渐低；l如果白云石含量远大于方解石（如灰质白云岩），白云石将如果白云石含量远大于方解石（如灰质白云岩），白云石将先达到饱和，此时，方解石的溶解就更难了，最终形成的地先达到饱和，此时，方解石的溶解就更难了，最终形成的地下水中的下水中的Ca2

20、+与与Mg2+的摩尔浓度之比可能小于前一种情况。的摩尔浓度之比可能小于前一种情况。若方解石、白云石均达到溶解平衡，则若方解石、白云石均达到溶解平衡，则 DCKKMgCa/222碳酸盐岩地区碳酸盐岩地区其他因素对地下水的影响其他因素对地下水的影响l地下水温度的影响地下水温度的影响大多数矿物的溶解度随温度增加而增大，但碳酸盐岩区的主要大多数矿物的溶解度随温度增加而增大，但碳酸盐岩区的主要矿物矿物方解石方解石与与白云石白云石恰好相反，而且溶解度随水温变化较大。恰好相反，而且溶解度随水温变化较大。对碳酸盐岩区而言，在地下水流动过程中，若沿流径水温增加，对碳酸盐岩区而言，在地下水流动过程中，若沿流径水温

21、增加，则水中钙、重碳酸、则水中钙、重碳酸、TDS等可能不遵循含量随流程增加而升高等可能不遵循含量随流程增加而升高的规律；与此相反，由低温区到高温区，可能产生方解石和白的规律；与此相反，由低温区到高温区，可能产生方解石和白云石沉淀，地下水的云石沉淀，地下水的TDS下降。下降。例如，融雪季节时地表附近对方解石饱和的低温水下渗至地下例如，融雪季节时地表附近对方解石饱和的低温水下渗至地下常温带时，将达到过饱和，从而产生常温带时，将达到过饱和，从而产生CaCO3沉淀，地下水中的沉淀，地下水中的TDS将小于地表附近的入渗水。将小于地表附近的入渗水。碳酸盐岩地区碳酸盐岩地区其他因素对地下水的影响其他因素对地

22、下水的影响l含水层中其他矿物的影响含水层中其他矿物的影响不纯的灰岩与白云岩含石膏与硬石膏；不纯的灰岩与白云岩含石膏与硬石膏；石膏与硬石膏的存在将引起同离子效应，使石膏与硬石膏的存在将引起同离子效应，使HCO3-含量下降。含量下降。l地下水中其他组分的影响地下水中其他组分的影响埋藏型碳酸盐岩区，入渗水经过土壤带与其他上覆地层将增加地下埋藏型碳酸盐岩区，入渗水经过土壤带与其他上覆地层将增加地下水中的易溶盐类，如水中的易溶盐类，如Cl-、SO42-、Na+；TDS较高时，离子强度的增加会降低较高时，离子强度的增加会降低Ca2+ 、Mg2+ 、HCO3-的活度的活度系数，增加碳酸盐矿物的溶解度；系数，

23、增加碳酸盐矿物的溶解度；TDS较高时，地下水组分中络合物的比例将大大增加；这也会增加较高时，地下水组分中络合物的比例将大大增加；这也会增加碳酸盐矿物的溶解度。碳酸盐矿物的溶解度。复杂沉积岩系统复杂沉积岩系统地下水化学成分形成和演变地下水化学成分形成和演变l复杂沉积系统复杂沉积系统岩石地层：如砂岩、灰岩、石膏层的互层岩石地层：如砂岩、灰岩、石膏层的互层松散沉积物地层：如砂砾石层与粘性土层的互层松散沉积物地层：如砂砾石层与粘性土层的互层矿物种类比较齐全矿物种类比较齐全l影响地下水成分的重要因素影响地下水成分的重要因素水与各种岩石的相遇顺序水与各种岩石的相遇顺序l相遇顺序相遇顺序(1)假定通过灰岩、

24、石膏、砂岩和页岩四种岩石，第假定通过灰岩、石膏、砂岩和页岩四种岩石，第1种顺序：种顺序：方解石溶解方解石溶解低低TDS, HCOTDS, HCO3 3-Ca-Ca石膏溶解，同离子效石膏溶解，同离子效应，方解石过饱和应，方解石过饱和高高TDS, SOTDS, SO4 4HCOHCO3 3-Ca-Ca石英、长石少量溶解，石英、长石少量溶解，成分变化不明显成分变化不明显蒙脱石中的蒙脱石中的NaNa被被CaCa交交换，水中换，水中NaNa增加增加 SO SO4 4-Na-Na复杂沉积岩系统复杂沉积岩系统地下水化学成分形成和演变地下水化学成分形成和演变石英、长石不全等溶解石英、长石不全等溶解低低TDS,

25、 HCOTDS, HCO3 3KK少量少量由于由于CaCa少，不交换少，不交换成分变化不明显成分变化不明显HCOHCO3 3-Ca-Ca方解石溶解方解石溶解石膏溶解，同离子石膏溶解，同离子效应，方解石沉淀，效应，方解石沉淀，HCOHCO3 3降降 SO SO4 4-Ca-Cal相遇顺序相遇顺序(2)(2)仍然通过灰岩、石膏、砂岩和页岩四种岩石，但为第仍然通过灰岩、石膏、砂岩和页岩四种岩石，但为第2 2种顺序：种顺序：复杂沉积岩系统复杂沉积岩系统地下水化学成分形成和演变地下水化学成分形成和演变结晶岩区结晶岩区地下水化学成分形成和演变地下水化学成分形成和演变l结晶岩结晶岩形成于地壳深部高温高压环境

26、的岩浆岩和变质岩，结晶程形成于地壳深部高温高压环境的岩浆岩和变质岩，结晶程度高，含石英、长石、云母等硅酸盐矿物；度高，含石英、长石、云母等硅酸盐矿物；鉴于其形成环境，结晶岩在地球浅部热力学性质不稳定，鉴于其形成环境，结晶岩在地球浅部热力学性质不稳定，与水接触后可发生水解，形成高岭石、蒙脱石、伊利石等与水接触后可发生水解，形成高岭石、蒙脱石、伊利石等粘土矿物。粘土矿物。l结晶岩地区地下水的特点结晶岩地区地下水的特点以以HCO3-、Na+为主，其次为为主，其次为Ca2+、Mg2+，SiO2含量较高，含量较高，TDS低；低；沿水流途径，优势阴离子向沿水流途径，优势阴离子向SO4、Cl转化不明显，水化

27、学类转化不明显，水化学类型为型为HCO3-Na。结晶岩区结晶岩区地下水化学成分形成和演变地下水化学成分形成和演变l分析方法分析方法矿物稳定场图法矿物稳定场图法l对于岩浆岩地区对于岩浆岩地区绝大部分水点位于高岭土场区内；绝大部分水点位于高岭土场区内；少量在蒙脱石区；少量在蒙脱石区；在原生铝硅酸盐区、水铝矿区、云母区几乎没有水点在原生铝硅酸盐区、水铝矿区、云母区几乎没有水点水文地球化学模拟水文地球化学模拟l通过矿物稳定场图判断可能发生的矿物水解反应与反应生成通过矿物稳定场图判断可能发生的矿物水解反应与反应生成的粘土矿物；的粘土矿物；l利用实测水化学资料，结合矿物稳定场图的判断结果，利用利用实测水化

28、学资料，结合矿物稳定场图的判断结果，利用反向地球化学模拟来计算反应过程中原生矿物的反应量。反向地球化学模拟来计算反应过程中原生矿物的反应量。l例题：例题：P113-表表3-7矿物稳定场图矿物稳定场图三种渗入成因的地下水三种渗入成因的地下水NaHCO3型水（苏打水）型水（苏打水）lNa /Cl 1；(Na -Cl )/SO4 1 Na2SO4型水型水 lNa /Cl 1；(Na-Cl)/SO4 7，一般在一般在8左右）左右）软水或极软水软水或极软水矿化度多在矿化度多在0.6 g/L以上以上NaHCO3型水型水苏打水苏打水l形成作用与条件形成作用与条件1、阳离子交替吸附作用、阳离子交替吸附作用条件

29、条件l灌溉地段洗盐灌溉地段洗盐 ：潜水盐化使潜水盐化使Na+的浓度增大，使土壤中富含吸附的浓度增大，使土壤中富含吸附状状Na+ ，而用而用HCO3-Ca水灌溉时，可出现阳离子交替吸附作用，水灌溉时，可出现阳离子交替吸附作用，形成苏打水。形成苏打水。l在滨海平原发生海退作用后，在海退不久的地方，在滨海平原发生海退作用后，在海退不久的地方，富含富含Ca2+的陆的陆地水与富含吸附状地水与富含吸附状Na的刚形成的海相粘土质沉积物进行上述阳离的刚形成的海相粘土质沉积物进行上述阳离子交替吸附作用子交替吸附作用，形成苏打水。，形成苏打水。)(2)(2)(2323吸附吸附 CaNaHCONaHCOCaNaHC

30、O3型水型水苏打水苏打水l形成作用与条件形成作用与条件2、脱硫酸作用、脱硫酸作用l在封闭还原环境中，脱硫酸菌参与脱硫酸作用，水中在封闭还原环境中，脱硫酸菌参与脱硫酸作用，水中SO42-减少乃减少乃至消失，出现至消失，出现H2S，形成苏打水。形成苏打水。条件条件l发生在湖泊、海洋底部淤泥沉积物中，沼泽及盆地深部承压含水层发生在湖泊、海洋底部淤泥沉积物中，沼泽及盆地深部承压含水层中，尤其是油田水中，在上述情况中，中，尤其是油田水中，在上述情况中，Na+常为主要阳离子；常为主要阳离子；l如果水中不仅主要含有如果水中不仅主要含有Na+，还含有较多的还含有较多的Ca2+、Mg2+，那么只有那么只有在在C

31、a2+、Mg2+以磷酸盐矿物的形式沉淀后，才会出现苏打水，即只以磷酸盐矿物的形式沉淀后，才会出现苏打水，即只有在这些水相对于磷酸盐矿物饱和以后，才有可能形成苏打水。有在这些水相对于磷酸盐矿物饱和以后，才有可能形成苏打水。 SHHCOOHSOC23224222有机l形成作用与条件形成作用与条件3、风化作用、风化作用l原理原理含含Na的铝硅酸盐矿物（如斜长石）在含的铝硅酸盐矿物（如斜长石）在含CO2的大气降水的大气降水作用下发生水解，水中出现作用下发生水解，水中出现Na+和和HCO3-上述情况常见于侵入岩的风化壳中上述情况常见于侵入岩的风化壳中l反应方程反应方程Na0.62Ca0.38Al1.38

32、Si2.62O8 + 1.38CO2 + 4.55H2O = 0.69Al2Si2O5 (OH)4 + 0.62Na+ + 0.38Ca2+ + 1.24H4SiO4 + 1.38HCO3- NaHCO3型水型水苏打水苏打水l形成过程形成过程含钠长石的含钠长石的侵入岩区侵入岩区，与含与含SO42-、CO2的渗入成因地下水，发生的渗入成因地下水，发生相互作用可形成相互作用可形成Na2SO4型水。型水。地壳表层处于氧化条件的苏打水入渗至深部的地壳表层处于氧化条件的苏打水入渗至深部的硫化矿床及含煤地硫化矿床及含煤地层层（常含有硫化物）中，也可形成（常含有硫化物）中，也可形成Na2SO4型水。其形成是

33、由于型水。其形成是由于与矿体或含煤地层接触反应，硫化物被氧化，产生与矿体或含煤地层接触反应，硫化物被氧化，产生SO42-，使水使水中中SO42-含量剧增，含量剧增，pH降低，形成降低，形成Na2SO4型水。型水。1.在含在含芒硝的盐矿区芒硝的盐矿区可见到可见到Na2SO4型水，这种情况下水中常含有型水，这种情况下水中常含有Cl-，水的水的TDS可达可达40100g/l；在冬季，芒硝矿区出露的泉水在在冬季，芒硝矿区出露的泉水在泉口易形成盐华（芒硝的溶解度曲线在泉口易形成盐华（芒硝的溶解度曲线在34.1处为拐点）。处为拐点）。Na2SO4型水型水l形成过程形成过程苏打水与硫酸镁型水相混合，经混合作

34、用形成苏打水与硫酸镁型水相混合，经混合作用形成MgCO3沉淀与沉淀与Na2SO4型水。型水。苏打水在流经含石膏地层时将沉淀形成更难溶的方解石，以苏打水在流经含石膏地层时将沉淀形成更难溶的方解石，以及及Na2SO4型水。型水。阳离子交替吸附：在石膏区形成的阳离子交替吸附：在石膏区形成的SO4-Ca型水如进一步通过型水如进一步通过含吸附态含吸附态Na+的粘性土，经阳离子交替过程后形成的粘性土，经阳离子交替过程后形成Na2SO4型型水。水。Na2SO4型水型水CaSOCaSO4 4 + 2Na+ 2Na+ + = Na = Na2 2SOSO4 4 + 2Ca+ 2Ca2+2+l概述概述自然界自然界

35、98%的地下水属卤的地下水属卤水、盐水和咸水，其水化水、盐水和咸水，其水化学类型以学类型以氯化物型氯化物型为主；为主；自然界也可形成自然界也可形成氯化物型氯化物型的淡水，如四川沙沟村的的淡水，如四川沙沟村的Cl-Na型型水，水，TDS仅仅0.264g/l。NaCl型水型水淡水：淡水：TDS 50gL。l形成过程形成过程在侵入岩风化壳中经常含有一定量的在侵入岩风化壳中经常含有一定量的Cl-Na水，这里钠水，这里钠离子由含钠的铝硅酸盐矿物水解而进入地下水中，离子由含钠的铝硅酸盐矿物水解而进入地下水中， Cl-则则是矿物结晶格架中分散状的是矿物结晶格架中分散状的Cl遭受破坏进入水中；侵入遭受破坏进入

36、水中；侵入岩一般贫岩一般贫Cl-，故水的故水的rCl rNa。这种方式形成的水蒸发这种方式形成的水蒸发浓缩时，常变为浓缩时，常变为Cl-Na型型咸水，但仍保持咸水，但仍保持rCl Na+ SO42- Mg2+ Ca2+ K+ HCO3- Br- 有机质含量：有机质含量：0.22.7mg/L海相淤泥海相淤泥的组成及沉积环境特征的组成及沉积环境特征l海相沉积物的组成海相沉积物的组成陆源的泥沙陆源的泥沙海水沉淀产生的化学沉积物海水沉淀产生的化学沉积物海水沉淀产生的生物堆积海水沉淀产生的生物堆积l有机质、各种微生物；有机质、各种微生物； 海相淤泥的海相淤泥的C Corgorg含量为含量为0.27%0.

37、27%； l多处于还原环境多处于还原环境富含有机质和微生物的嫌氧的还原环境富含有机质和微生物的嫌氧的还原环境垂向上，海相淤泥距水表面数厘米以下，即由氧化环境转为垂向上，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；还原环境；横向上，由海盆地边缘向中央，沉积物由偏氧化的环境转为横向上，由海盆地边缘向中央，沉积物由偏氧化的环境转为偏还原的环境偏还原的环境海相淤泥沉积物海相淤泥沉积物中发生的各种地球化学作用中发生的各种地球化学作用l沉积水（淤泥水）的变质作用沉积水（淤泥水）的变质作用脱硫酸作用脱硫酸作用l海相淤泥水中的海相淤泥水中的 SO42-被有机物和微生物还原，生成被有机物和微生物还原，

38、生成H2S和和S2-；l结果结果水中水中消失，出现消失，出现和和，pH增大增大有机质很少的淤泥水有机质很少的淤泥水几乎不发生还原，埋藏几十万年，成分仍与海水相似几乎不发生还原，埋藏几十万年，成分仍与海水相似阳离子交替吸附作用阳离子交替吸附作用l过程过程浅海盆地发生海侵时，富含交换性浅海盆地发生海侵时，富含交换性Ca2+的陆源沉积物与的陆源沉积物与Na+占优势的海水相作用，发生交替吸附反应；占优势的海水相作用，发生交替吸附反应；河流带入近海的泥沙沉积物也富含交换性河流带入近海的泥沙沉积物也富含交换性Ca2+，同样可与同样可与Na+发生交换反应。发生交换反应。2NaCl + CaX = CaCl2

39、 + 2NaXl结果结果水中水中Na+减少，减少，Ca2+增多。增多。l条件条件Na+吸附能力吸附能力 Ca2+，此反应才能进行。，此反应才能进行。碳酸盐的沉淀碳酸盐的沉淀l导致碳酸盐沉淀的两种作用：导致碳酸盐沉淀的两种作用：脱硫酸作用脱硫酸作用使水中使水中HCO3-含量和含量和pH上升上升阳离子交换作用阳离子交换作用使水中使水中Ca2+含量上升含量上升lCa2+OH-+HCO3-CaCO3 +H2OlCa2+Mg2+2OH-+2HCO3-CaMg(CO3)2 +2H2OlFe2+OH-+HCO3-FeCO3 +H2Ol结果：结果：水中水中Ca2+、Mg2+、Fe2+和和HCO3-产生沉淀，含

40、量减小；产生沉淀，含量减小；Ca2+含量减少，又会影响阳离子交替吸附；含量减少，又会影响阳离子交替吸附；水中水中Na+更少，更少，Na、Cl的摩尔比下降。的摩尔比下降。反硝化作用反硝化作用l原理原理l结果结果水的水的pH值增高，出现值增高，出现HCO3-和和CO32-l淤泥水中硝酸根含量一般较低，此作用一般影响不大淤泥水中硝酸根含量一般较低，此作用一般影响不大有机物质的分解有机物质的分解l脱硫酸作用与反硝化作用脱硫酸作用与反硝化作用最终产生最终产生N2、H2Sl细胞及蛋白质分解细胞及蛋白质分解最终产生最终产生CH4、NH4+ 、H2l许多海生生物中经常含有许多海生生物中经常含有I及一定量的及一

41、定量的Br随着有机物的分解，随着有机物的分解，I和和Br，特别是特别是I将进入将进入淤泥水，使水的淤泥水，使水的I含量大为增加，含量大为增加，Br含量有所含量有所增加增加金属硫化物的沉淀金属硫化物的沉淀l原理原理l结果结果H2S消失消失l如水中不含如水中不含Fe2+或或Fe2+较少时，较少时，H2S在水中在水中聚集聚集海相淤泥沉积物海相淤泥沉积物地球化学作用地球化学作用小结小结l上述六种作用对主要离子含量的影响上述六种作用对主要离子含量的影响HCO3-l脱硫酸作用脱硫酸作用增加增加l碳酸盐矿物的沉淀碳酸盐矿物的沉淀减少减少l反硝化作用反硝化作用增加增加SO42-l脱硫酸作用脱硫酸作用减少减少C

42、l-l无作用影响无作用影响基本不变基本不变Ca2+l阳离子交换作用阳离子交换作用增加增加l碳酸盐矿物的沉淀碳酸盐矿物的沉淀减少减少Mg2+l碳酸盐矿物的沉淀碳酸盐矿物的沉淀减少减少Na+l阳离子交换作用阳离子交换作用减少减少海相淤泥沉积物海相淤泥沉积物地球化学作用地球化学作用小结小结l上述六种作用：上述六种作用：开始于海盆沉积的初期，即在海相沉积物形成之初就开始了；开始于海盆沉积的初期，即在海相沉积物形成之初就开始了；经过上述作用，将形成三种不同的海相淤泥水：经过上述作用，将形成三种不同的海相淤泥水：l与海水组成非常相似的淤泥水与海水组成非常相似的淤泥水淤泥中不含或含少量有机物，陆源泥沙的相对

43、含量低；淤泥中不含或含少量有机物，陆源泥沙的相对含量低；水化学组分未水化学组分未经脱硫酸作用与阳离子交换作用的明显改造经脱硫酸作用与阳离子交换作用的明显改造l几乎不含几乎不含SO42-的氯化物水，阳离子以的氯化物水，阳离子以Na、Mg为主为主淤泥中含大量有机物，陆源泥沙的相对含量低；淤泥中含大量有机物，陆源泥沙的相对含量低；水化学组分经脱硫酸水化学组分经脱硫酸作用改造，但未经阳离子交换作用的明显改造作用改造，但未经阳离子交换作用的明显改造l几乎不含几乎不含SO42-的氯化物水，阳离子以的氯化物水，阳离子以Na、Ca为主为主淤泥中含大量有机物，陆源泥沙的相对含量高；淤泥中含大量有机物，陆源泥沙的

44、相对含量高；水化学组分经脱硫酸水化学组分经脱硫酸作用改造，经阳离子交换作用改造作用改造，经阳离子交换作用改造18775 . 949035MgNaSOClM海相淤泥水在形成后期的其他海相淤泥水在形成后期的其他水化学过程水化学过程l蒸发浓缩作用蒸发浓缩作用海相沉积水的判别依据海相沉积水的判别依据l通过蒸发浓缩过程中残余海相沉积水的水化学特征来判断；通过蒸发浓缩过程中残余海相沉积水的水化学特征来判断；l在海相沉积水的蒸发浓缩过程中，在海相沉积水的蒸发浓缩过程中，CaSO4、NaSO4、NaCl、MgSO4、KCl、MgCl2依次析出，水中的主要离子的含量在各阶段依次析出，水中的主要离子的含量在各阶段

45、变化不一致；但变化不一致；但Br、Li、B、Rb、I等微量元素的含量在各阶段均等微量元素的含量在各阶段均上升明显；上升明显；lBr是唯一不参与成岩作用的离子；虽然是唯一不参与成岩作用的离子；虽然Br在在NaCl析出阶段会以析出阶段会以Cl的类质同象元素的方式沉淀，但最终仍有的类质同象元素的方式沉淀，但最终仍有86%的的Br将留在海相沉将留在海相沉积水中。因此积水中。因此Br可作为海相沉积水浓缩程度的标志。可作为海相沉积水浓缩程度的标志。l 次生白云岩化作用次生白云岩化作用海水或海相沉积水经高度蒸发浓缩作用，在石盐海水或海相沉积水经高度蒸发浓缩作用，在石盐沉淀后，形成高镁含量的卤水；沉淀后，形成

46、高镁含量的卤水；这种卤水与这种卤水与深部深部环境的石灰岩作用，将形成白云环境的石灰岩作用，将形成白云岩；岩；l2CaCO3+MgCl2=CaMg(CO3)2+CaCl2实验表明次生白云岩化作用发生于实验表明次生白云岩化作用发生于100以上的环以上的环境条件下。境条件下。海相淤泥水在形成后期的其他海相淤泥水在形成后期的其他水化学过程水化学过程239499304MgCaNaClM2578690579NaKMgCaClMCaCl2型水型水的形成与分布的形成与分布l高矿化度的高矿化度的CaCl2型地下水常见于地壳深部型地下水常见于地壳深部地壳深部高矿化度的地下水一般为地壳深部高矿化度的地下水一般为Cl

47、-Na型水或型水或Cl-Ca型水型水苏林把苏林把CaCl2型水划归为型水划归为“深成环境深成环境” l美国某地卤水美国某地卤水l四川盆地黑卤四川盆地黑卤深部高矿化度深部高矿化度CaCl2型水的型水的水化学特征水化学特征与与赋存特征赋存特征l一般而言，一般而言，CaCl2型水在地壳深处较为稳定型水在地壳深处较为稳定在与地壳上部浅层水相隔绝的水文地质条件封闭的嫌氧环境中，在与地壳上部浅层水相隔绝的水文地质条件封闭的嫌氧环境中，CaCl2型水可以很好地保存在含水层中型水可以很好地保存在含水层中l围岩的岩性决定了围岩的岩性决定了CaCl2型水的矿化度上限型水的矿化度上限围岩围岩最高矿化度最高矿化度正常

48、盐度条件下沉积的碳酸盐岩正常盐度条件下沉积的碳酸盐岩100100120120g/Lg/L含石膏的地层含石膏的地层200200250250g/Lg/L含厚层石盐或钾盐的地层含厚层石盐或钾盐的地层500500700700g/Lg/Ll用溶解作用无法解释高矿化度用溶解作用无法解释高矿化度CaCl2的来源的来源可以用溶解作用解释埋藏于深部的高矿化度地可以用溶解作用解释埋藏于深部的高矿化度地下水中下水中NaCl、KCl的来源，但无法解释的来源，但无法解释CaCl2的来源。因为很少有岩石直接含有的来源。因为很少有岩石直接含有CaCl2这种这种盐类矿物盐类矿物深部高矿化度深部高矿化度CaCl2型水成因型水成

49、因深部高矿化度深部高矿化度CaCl2型水成因型水成因沉积说沉积说CaCl2型水是沉积型水是沉积-埋藏水与沉积物埋藏水与沉积物之间相互作用的产物之间相互作用的产物A、阳离子交替吸附作用：阳离子交替吸附作用： 在海侵过程中发生在海侵过程中发生l2NaCl + Ca2+（吸附）吸附）= CaCl2 + 2Na+（吸附）吸附）lNaCl 的最大溶解度为的最大溶解度为350g/l，CaCl2溶液的矿化度只有溶液的矿化度只有 332g/L只适于解释只适于解释M Na+Mg，形成形成CaCl2型水型水深部高矿化度深部高矿化度CaCl2型水成因型水成因钠长石化说钠长石化说l以前苏联学者以前苏联学者杰尔普戈茨杰

50、尔普戈茨为代表为代表在地幔带存在原生成因的在地幔带存在原生成因的“水氯圈水氯圈”，地球深部所有以，地球深部所有以Cl-为主要阴离子的天然高矿化度水均来源于此圈；为主要阴离子的天然高矿化度水均来源于此圈；当这些内生的氯化物水溶液受地球内部应力作用由下至上当这些内生的氯化物水溶液受地球内部应力作用由下至上运动时，运动时，Ca、Mg离子通过介质空隙的能力低于离子通过介质空隙的能力低于Na、K。从而使地壳较深处的氯化物型高矿化水偏钙质。从而使地壳较深处的氯化物型高矿化水偏钙质。深部高矿化度深部高矿化度CaCl2型水成因型水成因内生说内生说表生带表生带CaCl2型水的形成型水的形成l地壳表层含水介质中，

51、高矿化度的地壳表层含水介质中，高矿化度的CaCl2水难以稳定水难以稳定存在存在表生带经常有渗入成因的表生带经常有渗入成因的Na2SO4型水、型水、MgSO4型水和型水和NaHCO3型水，如与高矿化度的型水，如与高矿化度的CaCl2相遇，可使大部分相遇，可使大部分Ca2+从水中沉淀从水中沉淀l存在地区存在地区侵入岩风化壳侵入岩风化壳l特点特点矿化度低矿化度低Cl稍大于稍大于Na+Mgl侵入岩风化产物粘性土中的潜水（少见）侵入岩风化产物粘性土中的潜水（少见）Na+交替了风化产物粘性土吸附的交替了风化产物粘性土吸附的Ca2+，使使Ca2+进入进入水中水中中亚细亚地区中亚细亚地区 1222664831

52、2801 . 1MgCaNaSOHCOClM 9385847335586 . 0MgNaCaSOHCOClM表生带表生带CaCl2型水的形成型水的形成渗入成因与沉积成因水的区分渗入成因与沉积成因水的区分Cl-Na (Ca)l组分含量组分含量渗入成因的渗入成因的TDS较低，较低，Br较低较低l组分的比例系数：组分的比例系数：Na/Cl比值比值l= 0.85 大洋水大洋水l 1 渗入水渗入水Cl/Br比值比值l= 300 大洋水大洋水l 300 海相含盐沉积岩区的渗入水海相含盐沉积岩区的渗入水l同位素同位素( D、18O)定义定义lRm为样品的同位素比值为样品的同位素比值lRs为标准样品的同位素比

53、值为标准样品的同位素比值lR=X重重/X轻轻 （R同位素比值）同位素比值）Craig方程方程l渗入成因的渗入成因的Cl-Na水：多位于水：多位于Craig降水直线附近降水直线附近l沉积成因：多在偏离沉积成因：多在偏离Craig降水直线降水直线10818 OD1000)(ssmRRR渗入成因与沉积成因水的区分渗入成因与沉积成因水的区分Cl-Na-(Ca)岩浆成因地下水岩浆成因地下水几个基本概念几个基本概念l岩浆成因地下水岩浆成因地下水在狭义上，岩浆成因地下水是指在狭义上，岩浆成因地下水是指由岩浆直接分异由岩浆直接分异出来的水；出来的水；在广义上，指地下水的组分或水温受到了岩浆活动的影响在广义上，

54、指地下水的组分或水温受到了岩浆活动的影响即与岩浆活动有关的地下水。即与岩浆活动有关的地下水。l在岩浆的高温作用下在岩浆的高温作用下自岩石中脱出自岩石中脱出的水的水（即变质成因水）（即变质成因水）；l地下水在深循环后受到地球深部局部熔融体的烘烤，其地下水在深循环后受到地球深部局部熔融体的烘烤，其温度与温度与岩浆活动有关岩浆活动有关；此时异常高的水温可使地下水从围岩中获得常；此时异常高的水温可使地下水从围岩中获得常温时难以大量溶滤的组分，使其表现出与常温地下水不同的水温时难以大量溶滤的组分，使其表现出与常温地下水不同的水化学特征。化学特征。几个基本概念几个基本概念l地下热水地下热水v按温度划分按温

55、度划分一般指水温高于一般指水温高于25的地下水的地下水高于高于75者为高者为高温热水温热水介于介于40至至75者为中温热水者为中温热水低于低于40者为低者为低温热水温热水v按热源划分按热源划分岩浆热源岩浆热源非岩浆热源非岩浆热源热能来自为热能来自为正常地温正常地温梯度梯度（3/100m）热能来自构造热能来自构造运动产运动产生生的的摩擦热摩擦热热能来自地球热能来自地球化学化学反反应的应的反应热反应热几个基本概念几个基本概念l地热资源地热资源指在当前技术经济和地质环境条件下，地壳内能够科学、合理指在当前技术经济和地质环境条件下，地壳内能够科学、合理地开发出来的岩石中的热能量和地热流体中的热能量及其

56、伴生地开发出来的岩石中的热能量和地热流体中的热能量及其伴生的有用组分。的有用组分。l地热显示地热显示火山爆发火山爆发最强烈的地热显示最强烈的地热显示l火山爆发时常有大量的高温水气一同喷出地表，这可称为真正意义火山爆发时常有大量的高温水气一同喷出地表，这可称为真正意义上的上的火山成因水火山成因水地下赋存热水或地表有热泉出露地下赋存热水或地表有热泉出露地热异常地热异常热流值高于全球平均值热流值高于全球平均值l热流值热流值：单位时间内通过地球表面单位面积散失的热量：单位时间内通过地球表面单位面积散失的热量l全球平均热流值：全球平均热流值：5.95.96.36.31010-6-6J/(J/(2 2*

57、*s)s)几个基本概念几个基本概念l地热的来源地热的来源岩浆活动岩浆活动地温梯度：地温梯度：与太阳辐射没有直接联系，主要来源于地球内部铀与太阳辐射没有直接联系，主要来源于地球内部铀238238、铀、铀235235、钍、钍232232和钾和钾4040等放射性元素衰变产生的热能等放射性元素衰变产生的热能 l通常，在地下增温层，平均深度每增加通常，在地下增温层，平均深度每增加100100m m，温度就上升，温度就上升33。把地温增高。把地温增高11所需深度，叫做地热增温率。地热增温所需深度，叫做地热增温率。地热增温率的全球平均值是率的全球平均值是3333m m。变温层：地表变温层：地表2020m m

58、之下地温受太阳辐射影响的地带；之下地温受太阳辐射影响的地带；常温层：变温层之下的薄层常温层：变温层之下的薄层，地温常年不变；地温常年不变；（中国北方：厚（中国北方：厚度度3030m m）增温层：按照地温梯度温度随深度增加的地带，在常温层之下。增温层：按照地温梯度温度随深度增加的地带，在常温层之下。l地下热水系统的地球化学温标地下热水系统的地球化学温标含量受温度控制并与温度存在相关性的，用于推测和含量受温度控制并与温度存在相关性的，用于推测和判断热储（判断热储（即含热水的含水层即含热水的含水层）温度的元素、组分或）温度的元素、组分或它们之间的比值，可作为它们之间的比值，可作为温度指示计温度指示计

59、使用。使用。各种地球化学温标建立的基础是：地热流体与矿物在各种地球化学温标建立的基础是：地热流体与矿物在一定温度条件下进行反应一定温度条件下进行反应，随后，在地热流体温度降随后，在地热流体温度降低时，某些元素的含量或含量比值仍然保持不变或变低时，某些元素的含量或含量比值仍然保持不变或变化极小。化极小。 SiO2温标；温标；K-Na温标；温标；Na-K-Ca温标；温标；K-Mg温标。温标。几个基本概念几个基本概念地球化学温标地球化学温标l钾镁地热温标钾镁地热温标它代表深度不大的热水贮集系统的热动力平衡条件，它代表深度不大的热水贮集系统的热动力平衡条件，尤其适用于中低温地热田。尤其适用于中低温地热

60、田。 计算公式为：计算公式为：l式中：式中：T热储温度，热储温度，；lC1水中钾的浓度，水中钾的浓度，mg/L；lC2水中镁的浓度，水中镁的浓度，mg/L。15.273/lg98.134418221CCT地球化学温标地球化学温标l钾钠地热温标钾钠地热温标 它代表深度较大的热水贮集系统的热动力平衡条件它代表深度较大的热水贮集系统的热动力平衡条件 。 计算公式为：计算公式为：l式中：式中：T热储温度，热储温度，；lC1水中钾的浓度，水中钾的浓度，mg/L；lC3水中钠的浓度，水中钠的浓度，mg/L。15.273/lg75. 1139031CCT研究意义研究意义v岩浆成因地下热水可作为反映地球内部地