第七章地下水的化学组分及其演变

1、第七章第七章地下水的化学组分及其演变地下水的化学组分及其演变71 概 述72 地下水化学特征73 地下水中的微生物 74 地下水的温度75 地下水化学成分形成作用71 概 述地下水不是化学纯的H2O，而是一种复杂的溶液。赋存于岩石圈中的地下水，不断与岩土发生化学反应，在与大气圈、水圈和生物圈进行水量交换的同时，交换化学成分。人类活动对地下水化学成分的影响，虽然只是悠长地质历史的一瞬间，然而，已经深刻改变了地下水的化学面貌。地下水水质的演变具有时间上的继承性，自然地理与地质发展历史给予地下水的化学面貌以深刻影响；因此，不能从纯化学角度，孤立、静止的研究地下水的化学成分及其形成，而必须从水与环境长

2、期相互作用的角度出发，去揭示地下水化学演变的内在依据与规律。72 地下水化学特征地下水中含有各种气体、离子、胶体、有机质以及微生物。1地下水主要气体成分O2 、N2 、CO2 、CH4 、H2S等。尤其以前三种为主。1）O2 、N2地下水中的O2 、N2主要来源于大气。溶解氧含量多，说明地下水处于氧化环境。在相对封闭的环境中，O2将耗尽而只留下N2。因此， N2的单独存在，通常可说明地下水起源于大气并处于还原环境。2）H2S 、CH4地下水中出现H2S、CH4 ，这是微生物参与的生物化学作用的结果3）CO2地下水中的CO2主要来源于土壤。化石燃料（煤、石油、天然气）的大量应用，使大气中人为产生

3、的CO2明显增加。地下水中含CO2愈多，溶解某些矿物组分的能力愈强。72 地下水化学特征2地下水主要离子成分溶解性总固体：溶解性总固体是指溶解在水中的无机盐和有机物的总称(不包括悬浮和溶解 气体等非固体组分)，用缩略词TDS表示。单位：mg/L或g/L总矿化度(矿化度)是指溶于水中的离子、分子与化合物的总和。单位：g/L或mg/L 。现已经采用溶解性总固体代替总矿化度。按溶解性总固体含量(g/L)，将地下水分类如下：淡水50。72 地下水化学特征地下水中分布最广、含量较多的离子共七种：Cl、SO42、HCO3、Na、K、Ca2、Mg2。低TDS水：HCO3、Ca2+、Mg2+为主；中TDS水：

4、SO42、Na+、Ca2+为主；高TDS水：Cl、Na+为主。地下水的TDS与离子成分之所以具有这种对应关系，主要原因是水中盐类的溶解度不同。72 地下水化学特征）Cl在地下水中广泛分布，但在低TDS水中，一般含量仅数毫克/升到数十毫克/升，高TDS水中可达数克/升乃至100克/升以上。来源： 沉积岩中岩盐或其他氯化物的溶解； 岩浆岩中含氯矿物的风化溶解； 海水补给地下水，或者海风将细滴的海水带到陆地； 火山喷发物的溶滤； 人为污染：生活污水及粪便中含有大量Cl，因此，居民点附近的地下水TDS不高，但是Cl含量相对较高。特点： Cl不为植物及细菌所摄取，不被土粒表面吸附，因此， Cl是地下水中

5、最稳定的离子； Cl含量随着TDS增大而不断增加，因此，Cl的含量常可用来说明地下水化学演变的历程。 72 地下水化学特征2）SO42中等矿化的水中，SO42常成为含量最多的阴离子。来源： 含石膏（CaSO42H2O）或其它硫酸盐的沉积岩的溶解； 硫化物的氧化： 2FeS2 （黄铁矿） +7O2+2H2O2FeSO4+4H+2SO42特点： 煤系地层常含有很多黄铁矿，因此流经这类地层的地下水化学成分往往以SO42为主； 金属硫化物矿床附近的地下水中也常含有大量的SO42。72 地下水化学特征3）HCO3几乎总是低TDS水的主要阴离子成分。来源： 含碳酸盐的沉积盐与变质岩（如大理盐）：CaCO3

6、+H2O+CO22HCO3+Ca2+MgCO3+H2O+CO22HCO3+Mg2+ 岩浆岩与变质岩地区，HCO3主要来自铝硅酸盐矿物的风化溶解。4）Na+在高TDS水中是主要的阳离子。来源： 沉积岩中岩盐及其它钠盐的溶解； 海水； 在岩浆岩和变质岩地区，则来自含钠矿物的风化溶解； 酸性岩浆岩中有大量含钠矿物，如钠长石，在CO2和H2O的参与下，将形成低TDS以Na+及HCO3为主的地下水。 72 地下水化学特征5）K+高TDS水中较多。来源： 含钾盐类沉积岩的溶解； 岩浆岩、变质岩中含钾矿物的风化溶解。虽然在地壳中K的含量与Na相近。但是，在地下水中K+的含量比Na+少得多。原因是： K+大量

7、地参与形成不溶于水的次生矿物（水云母、蒙脱石、绢云母）； 易为植物所摄取。6）Ca2+是低TDS水中的主要阳离子。来源： 碳酸盐类沉积物及含石膏沉积物的溶解； 岩浆岩、变质岩中含钙矿物的风化溶解。72 地下水化学特征）Mg2+来源： 含镁的碳酸盐类沉积岩（白云岩、泥灰岩）； 岩浆岩、变质岩中含镁矿物的风化溶解。Mg2+在低TDS水中通常含量较Ca2+少。部分原因是由于地壳组成中Mg2+比Ca2+少；碱性岩浆岩中的地下水，含Mg2+较高。72 地下水化学特征3地下水中的同位素组成地下水中存在多种同位素，最有意义的是氢(1H、2H、3H)，氧(16O、17O、18O)，碳(12C、13C、14C)

8、.。氘(2H或D)及氧-18(18O)是常见氢氧稳定同位素，由于质量不同，在转化时发生分馏。例如，蒸发时重同位素(2H、18O)不易逸出，在液态水中相对富集；凝结时，液态水中也富集重同位素。因此，降水中氢氧重同位素丰度的分布存在多种效应。氚(3H)及碳-14(14C)是常见的放射性同位素，可以测定地下水平均贮留时间(年龄)，测年范围分别为50-60万年及5万-6万年。72 地下水化学特征4地下水中的其他成分除了以上主要离子成分外，地下水还有一些其他成分：1）次要离子：H+、Fe2+、Fe3+、Mn2+、NH4+、OH、NO2、NO3、CO32、SiO32、PO43等；2）微量组分：Br、I、F

9、、Ba、Li、Sr、Se、Co、Mo、Cu、Pb、Zn、B、As等；3）胶体：Fe(OH)3、Al(OH)3、H2SiO3等；4）有机化合物。73 地下水中的微生物地下水中普遍分布微生物，不仅出现于地表以下到数千米深处，并且出现于洋脊底部富含矿质的高温流体喷口“黑烟囱”。作用：参与地下水化学形成作用，改变地下水组分；生物修复地下水污染；改变含水介质特性；参与成岩作用；参与成矿作用。74 地下水的温度地壳表层有两个热能来源：一个是太阳的辐射，另一个是来自地球内部的热流。地壳表层可分为3个带：1）变温带：受太阳辐射影响，地温昼夜变化与季节变化；2）常温带：地温一般比当地年平均气温高出2；3）增温带

10、：地温受地球内热影响，通常随深度加而有规律地升高。75 地下水化学成分形成作用地下水主要来源于大气降水，其次是地表水。大气降水的TDS一般为0.020.05g/L。1溶滤作用水与岩土相互作用，使岩土中一部分物质转入地下水中，便是溶滤作用。溶滤作用的结果，岩土失去一部分可溶物质，地下水则补充了新的组分。影响因素：取决于组成岩土的矿物的溶解度；岩土的空隙特征；水的溶解能力；水中溶解气体CO2、O2等的含量；水的流动状况。75 地下水化学成分形成作用浓缩作用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。浓缩作用必须同时具备下述条件：干旱或半干旱的气候；有利于毛细

11、作用的颗粒细小的松散岩土；低平地势下地下水位埋藏较浅的排泄区。75 地下水化学成分形成作用脱碳酸作用水中CO2的溶解度随温度升高及(或)压力降低而减小。一部分CO2便成为游离CO2从水中逸出，这便是脱碳酸作用。Ca2+2HCO3CO2+H2O+CaCO3Mg2+2HCO3CO2+H2O+MgCO3结果： 地下水中HCO3及Ca2、Mg2减少； TDS降低。深部地下水上升成泉，泉口往往形成钙华，便是脱碳酸作用的结果。75 地下水化学成分形成作用脱硫酸作用在还原环境中，当有有机质存在时，脱硫酸细菌促使SO42还原为H2S：SO42+2C+2H2OH2S+2HCO3结果： 使地下水中SO42减少以至消失； HCO3增加，pH值变大。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。 75 地下水化学成分形成作用阳离子交替吸附作用岩土颗粒表面带有负电荷，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。不同的阳离子，其吸附于岩土表面的能力不同，自大而小顺序为：H Fe3 Al3+ Ca2 Mg2 K Na离子价愈高，离子半径愈大，则吸附能力也愈大，H例外；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也随之增大；颗粒愈细，比表面积愈大，交替吸附作用愈强；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，不会