地下水的化学组分及其演变公开课一等奖省优质课大赛获奖课件

第七章地下水化学组分及其演变1概述地下水化学特征地下水中微生物地下水温度地下水化学组分形成作用地下水基本成因类型及其化学特征地下水化学式成份分析及其图示§7地下水化学组分及其演变第一节.概述§7地下水化学组分及其演变地下水不是化学纯H2O，而是一个复杂溶液。天然：人为：人类活动对地下水化学成份产生影响。地下水化学成份是地下水与环境、以及人类活动长久相互作用产物。一个地域地下水化学面貌，反应了该地域地下水历史演变。水是最为常见良好溶剂，可溶解、搬运岩土中一些组分。水是地球中元素迁移富集载体。利用地下水，各种行业对水质都有一定要求→进行水质评价。概述§7地下水化学组分及其演变§7地下水化学组分及其演变第二节.地下水化学特征§7地下水化学组分及其演变地下水中含有各种气体、离子、胶体、有机质以及微生物。1．地下水中主要气体成份O2

、N2、CO2

、CH4

、H2S等。1）O2、N2地下水中O2、N2主要起源于大气。地下水中O2含量多→说明地下水处于氧化环境。在较封闭环境中O2耗尽，只留下N2，通常说明地下水起源于大气，并处于还原环境。地下水化学特征§7地下水化学组分及其演变2）H2S、甲烷（CH4）地下水中出现H2S、CH4，其意义恰好与出现O2相反，说明→处于还原地球化学环境。3）CO2CO2主要起源于土壤。化石燃料（煤、石油、天然气）→CO2（温室气体）→温室效应→全球变暖。地下水中含CO2愈多，其溶解碳酸盐岩能力便愈强。§7地下水化学组分及其演变溶解性总固体(totaldissolvedsolids)：溶解性总固体是指溶解在水中无机盐和有机物总称(不包含悬浮物和溶解气体等非固体组分)，用缩略词TDS表示测定：①

普通以105110C时将水蒸干所得干涸残余物总量来表示溶解性总固体（TDS）②将分析所得阴阳离子含量相加，相加时HCO3只取重量二分之一，因为在蒸干时，有近二分之一HCO3分解为CO2、H2O而逸失。总矿化度：溶于水中离子、分子与化合物总和。2．地下水中主要离子成份§7地下水化学组分及其演变总硬度––––水中所含钙离子和镁离子总量。按照溶解性总固体含量，将地下水分类以下：淡水<1微咸水13咸水310盐水1050卤水>50§7地下水化学组分及其演变7大离子：Cl、SO42、HCO3、Na、K、Ca2、Mg2。低TDS水中：HCO3、Ca2+、Mg2+为主（难溶物质为主）；中矿化水中：SO42、Na+、Ca2+为主；高矿化水中：Cl、Na+为主（易溶物质为主）。造成这种现象主要原因是水中盐类溶解度不一样：§7地下水化学组分及其演变主要出现在高矿化水中，可达几g/L100g/L以上。起源：①来自沉积岩氯化物溶解；②来自岩浆岩中含氯矿物风化溶解；③来自海水；④来自火山喷发物溶滤；⑤人为污染：工业、生活污水及粪便中含有大量Cl，所以居民点附近矿化度不高地下水中，如Cl含量超出寻常，则说明很可能已受到污染。１）Cl§7地下水化学组分及其演变特点：①Cl不为植物及细菌所摄取，不被土粒表面所吸附，氯盐溶解度大，不易沉淀析出，是地下水中最稳定离子；②Cl含量伴随矿化度增加而不停增加，Cl含量常可用来说明地下水化学演变历程。§7地下水化学组分及其演变中等矿化地下水中，SO42为主要阴离子。起源：①

含石膏（CaSO4·2H2O）或其它硫酸盐沉积岩溶解；②硫化物氧化：2FeS2+7O2+2H2O→2FeSO4+4H++2SO42

（黄铁矿）

2）SO42§7地下水化学组分及其演变注意：①

因为煤系地层（C–P）常含有很多黄铁矿（硫铁矿），所以流经这类地层地下水往往以SO42为主；②金属硫化物矿床附近地下水中常含有大量SO42；③

煤燃烧产生大量SO2，与大气中水汽结合形成含硫酸降雨→酸雨，从而使地下水中SO42增加；④

在我国能源消耗中，煤占70%以上，我国每年向大气排放SO2已达1800104t之多，所以，地下水中SO42这一起源不容忽略。§7地下水化学组分及其演变低矿化水主要阴离子。起源：①

含碳酸盐沉积盐（石灰岩、白云岩）与变质岩（大理盐）：CaCO3+H2O+CO2→2HCO3+Ca2+MgCO3+H2O+CO2→2HCO3+Mg2+②岩浆岩与变质岩地域，HCO3主要起源于铝硅酸盐矿物风化溶解。３）HCO3§7地下水化学组分及其演变高矿化水中主要阳离子。起源：①

沉积岩中岩盐及其它钠盐溶解；②海水；③岩浆岩和变质岩地域含钠矿物风化溶解；④酸性岩浆岩中大量含钠矿物，在CO2、H2O参加下，将形成低矿化以Na+、HCO3为主地下水。４）Na+§7地下水化学组分及其演变高矿化水中含量较多。起源与分布特点与Na+相近：①

含钾盐类沉积岩溶解；②岩浆岩、变质岩中含钾矿物风化溶解。在地壳中K与Na含量相近，但在地下水中K+含量比Na+少得多，这是因为①K+大量地参加形成不溶于水次生矿物（水云母、蒙脱石、绢云母）；②易为植物所摄取。因为K+含量少，分析比较费事，所以普通将K+归并到Na+中，不另区分。５）K+§7地下水化学组分及其演变是低矿化水中主要阳离子。高矿化水中，因阴离子主要为Cl-,而CaCl2溶解度相当大，故Ca2+绝对含量显著增大,但仍远低于Na+。矿化度格外高水，钙也可成为主要离子。起源：①

碳酸盐类沉积物及含石膏沉积物溶解；②岩浆岩、变质岩中含钙矿物风化溶解。６）Ca2+§7地下水化学组分及其演变起源及分布与Ca2+相近：①

含镁碳酸盐类沉积岩（白云盐、泥灰盐）；②岩浆岩、变质岩中含镁矿物风化溶解。Mg2+在低矿化水中通常含量较Ca2+少。地下水中各种离子测定方法，参阅《水质分析》相关书籍。７）Mg2+§7地下水化学组分及其演变地下水中存在各种同位素，最有意义是氢、氧、碳同位素。高度效应：指2H、18O等重同位素丰度随降水高程增高而降低规律。大陆效应：指重同位素丰度有随远离水汽起源海洋而降低趋势。利用地下水中氚及碳-14含量，能够测定地下水平均贮留时间（年纪）。同位素方法在水文地质学研究中已经成为不可缺乏技术伎俩。3．地下水中同位素组分§7地下水化学组分及其演变除主要离子（七大离子）外，地下水中还有其它成份：1）次要离子：H+、Fe2+、Fe3+、Mn2+、NH4+、OH、NO2、NO3、CO32、SiO32、PO43等；2）微量组分（元素）：Br、I、F、B、Sr等；3）胶体成份：Fe(OH)3、Al(OH)3、H2SiO3等；4）有机体；5）微生物：如氧化环境中存在：硫细菌、铁细菌；

还原环境中存在：脱硫酸细菌；

在污水中：各种致病细菌。4.地下水中其它成份§7地下水化学组分及其演变第三节.地下水中微生物§7地下水化学组分及其演变地下水中微生物，主要有以下作用：①参加地下水化学形成作用，改变地下水组分；②生物修复地下水污染；③改变含水介质特征；④参加成岩作用；⑤参加成矿作用(陈骏等，；李政红等，)。微生物是氧化—还原作用触媒。许多地下水化学形成作用是生物地球化学过程，都有微生物参加。比如，脱硫酸作用：SO42+2C+2H2O——H2S+2HCO3§7地下水化学组分及其演变污染地下水生物修复，是最有潜力污染修复方式。1、作为触媒使有机污染物氧化为二氧化碳而降解。2、能够吸附重金属离子，经过触媒作用还原或氧化金属和准金属而改变其活动性。可溶岩喀斯特化一直被认为是化学作用结果，现在发觉，存在各种微生物生物化学作用，影响碳酸盐溶解与沉淀。§7地下水化学组分及其演变微生物在成矿中发挥主要作用。1、带负电荷微生物细胞表面能键和金属离子，被键合金属离子与阴离子反应，形成盐类沉淀。2、微生物代谢有机物形成有利于矿床堆积物理化学环境。微生物几乎参加了全部地质过程，原先认为是无机地质作用，其实都是有机(陈骏等，；汪晶先，)，地质微生物学作为一门交叉学科正存蓬勃兴起，对于处理水文地质学面正确理论及实际问题，有着难以估量意义，水文地质工作者需要扩展视野，参加地质微生物探索与发展。§7地下水化学组分及其演变第四节.地下水温度§7地下水化学组分及其演变地壳表层可分为3个带：1）变温带：受太阳辐射影响，地温随昼夜与季节改变；15-30m2）常温带：地温靠近常数，普通比当地年平均气温高１~2℃；3）增温带：受地球内部热流影响，随深度加大地温升高。地温梯度（）––––是指每增加单位深度时，地温增值。单位：℃/100m。地温梯度平均值为3℃/100m，普通1.5

~4℃/100m。§7地下水化学组分及其演变地下水温度受地温控制：1）变温带地下水：水温有较小季节性改变；2）常温带地下水：水温与当地平均气温靠近；3）增温带地下水：随地温梯度增加而增加，甚至成为热水。§7地下水化学组分及其演变两个公式：①利用地温梯度（γ），概略计算某一深度地下水水温（T）：T=t+(Ｈ－h)γ式中：t––––年平均气温；H––––地下水埋深；h––––常温带深度。②利用地下水温（T），推算其大致循环深度（H）：

§7地下水化学组分及其演变第五节.地下水化学成份形成作用§7地下水化学组分及其演变地下水主要起源于大气降水，大气降水矿化度普通为0.02~0.05g/L，进入含水层后，水与岩土作用，矿化度升高，化学成份发生改变。地下水化学成份形成作用主要分为6种作用1种影响。1、溶滤作用2、浓缩作用3、脱碳酸作用4、脱硫酸作用5、阳离子交替吸附作用6、混合作用7、人类活动对地下水化学成份影响§7地下水化学组分及其演变溶滤作用––––在水与岩土相互作用下，岩土中一部分物质转入地下水中。1．溶滤作用§7地下水化学组分及其演变盐类溶解与温度相关1．溶滤作用§7地下水化学组分及其演变溶滤作用结果：岩土失去一部分可溶物质；

地下水则补充了新组分。PS：狭义溶滤作用与溶解作用在内涵上区分溶滤作用：在不破坏晶体结晶格架情况下，部分组分进入地下水中作用。如难溶硅铝酸盐中一些成份。溶解作用：破坏了矿物结晶格架，使矿物全部成份进入地下水中。如氯化钠。1．溶滤作用§7地下水化学组分及其演变影响溶滤作用原因：1）岩土中矿物盐类溶解度：首先：NaCl快速转入水中，SiO2极难溶于水中。2）岩土空隙：空隙发育，溶滤作用强，不然弱。3）水溶解性总固体含量：低矿化水溶解能力强，而高矿化水溶解能力弱。1．溶滤作用§7地下水化学组分及其演变4）水中CO2、O2等气体成份：水中CO2含量愈高，溶解碳酸盐及硅酸盐能力愈强。水中O2含量愈高，溶解硫化物能力愈强。5）水流动情况：停滞地下水，最终将失去溶解能力；流动地下水，经常保持强溶解能力。地下水径流与交替强度是决定溶滤作用强度最活跃、最关键原因。§7地下水化学组分及其演变溶滤作用含有时间上阶段性和空间上差异性。在时间上：一个地域经受溶滤作用愈强烈，时间愈长，地下水矿化度愈低，愈是以难溶离子为其主要成份。§7地下水化学组分及其演变在空间上：气候愈是潮湿多雨，地质结构开启性愈好，岩层导水能力愈强，地形切割愈强烈，地下水径流与交替愈快速，地下水矿化度愈低，难溶离子相对含量也就愈高。§7地下水化学组分及其演变主要发生在干旱半干旱地域平原与盆地低洼处。当地下水位埋藏较浅时，蒸发强烈，蒸发成为地下水主要排泄去路。伴随时间增加，地下水溶液逐步浓缩，M增大。伴随矿化度上升，溶解度较小盐类在水中相继到达饱和而沉淀析出，易溶盐类（如NaCl）离子逐步成为水中主要成份。２．浓缩作用§7地下水化学组分及其演变产生浓缩作用条件：气候：干旱半干旱；岩土：颗粒细小涣散岩土；地势：低平；地下水位：埋藏浅；排泄区（从别处带来盐分在排泄区集聚）地下水化学成份形成作用受区域自然地理与地质条件影响，地下水化学特征往往含有一定分带性（空间上）丘陵倾斜平原区低平原颗粒粗水位埋深大溶滤作用水交替快速矿化度低HCO3—Ca过渡区矿化度中SO4—MgCa

颗粒细水位埋深小浓缩作用水流迟缓矿化度高Cl—Na§7地下水化学组分及其演变CO2溶解度随温度升高或压力降低而减小，一部分CO2便成为游离CO2从水中逸出，这便是––––脱碳酸作用。Ca2+2HCO3→CO2↑+H2O+CaCO3↓Mg2+2HCO3→CO2↑+H2O+MgCO3↓结果：地下水中HCO3、Ca2、Mg2降低；矿化度降低。３．脱碳酸作用§7地下水化学组分及其演变§7地下水化学组分及其演变§7地下水化学组分及其演变§7地下水化学组分及其演变在还原环境中，当有有机质存在时，脱硫酸细菌使SO42还原为H2S––––脱硫酸作用。SO42+2C+2H2O→H2S+2HCO3结果：①水中SO42降低以至消失；②HCO3增加，pH值变大。如：封闭地质结构是产生脱硫酸作用有利环境。４．脱硫酸作用§7地下水化学组分及其演变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一些阳离子，而将其原来吸附部分阳离子转为地下水中组分，这便是–––––阳离子交替吸附作用。（离子在岩土与水之间交替）不一样阳离子吸附能力大小：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；地下水中某种离子相对浓度愈大，交替吸附作用也就愈强；颗粒愈细，比表面积愈大，交替吸附作用也就愈强；粘土及粘土岩类最轻易发生交替吸附作用。５．阳离子交替吸附作用§7地下水化学组分及其演变混合作用––––成份不一样两种水汇合在一起，形成化学成份与原来二者都不相同地下水这便是混合作用。混合作用：可能发生化学反应→形成化学类型完全不一样地下水；不发生显著化学反应→取决于参加混合两种水化学成份。６．混合作用§7地下水化学组分及其演变污染地下水：工业三废：废气、废水、废渣，以及农业上大量使用化肥、农药等，使地下水中含有原来含量很低有害元素。改变地下水形成条件，水质发生改变：过量开采地下水引发海水入侵，不合理浇灌引发次生盐渍化，使浅层水变咸等；引淡补咸使地下水淡化。７．人类活动在地下水化学成份形成中作用§7地下水化学组分及其演变第六节.地下水基本成因类型及其化学特征§7地下水化学组分及其演变不一样领域学者，当前得出一致结论：地球上水圈是原始地壳生成后，氢与氧从地球内部层圈逸出而形成。所以，地下水起源于地球深部层圈。从形成地下水化学成份基本成因出发，将地下水分为三个主要成因类型：溶滤水、沉积水和内生水。§7地下水化学组分及其演变富含CO2与O2渗透成因地下水，溶滤它所流经岩土而取得其主要化学成份，这种水称之为––––溶滤水。（地下水化学成份主要由溶滤作用形成）1）影响原因：岩性、气候、地形地貌：岩性：石灰岩、白云岩：HCO3–Ca、HCO3–Ca–Mg型水；含石膏沉积岩区：SO4–Ca型水；酸性岩浆岩区：HCO3–Na型水；煤系地层、金属硫化物矿床分布区：SO4型水。1．溶滤水§7地下水化学组分及其演变气候：潮湿气候区：易溶组分溶滤带走，最终以难溶组分为主，形成低矿化重碳酸型水；干旱气候下平原、盆地排泄区：因为盐分不停带来，水分蒸发，盐分积累，最终形成高矿化氯化物水。地形地貌：切割强烈山区：径流强，水交替快，形成低矿化以难溶离子为主水；地势低平平原、盆地：径流微弱，水交替迟缓，形成高矿化，以易溶离子为主水。§7地下水化学组分及其演变2）地下水水平与垂直分带：§7地下水化学组分及其演变§7地下水化学组分及其演变开启性好：低M，HCO3型水；封闭：高M，Cl型水。绝大部分地下水属于––––溶滤水（不论承压水、潜水）。3）结构§7地下水化学组分及其演变沉积水––––是指与沉积物大致同时生成古地下水。2．沉积水例子：海相淤泥沉积水海水：化学成份：平均矿化度M：35g/L。② 海相淤泥沉积水：a. 矿化度很高，最高可达300g/L（浓缩作用）；b. SO42-降低（脱硫酸作用）；c. Ca2+相对含量增大，Na+相对含量降低，（阳离子交替吸附）；d. 富集Br、I，变小；e. 出现H2S、CH4等；f. pH值增高。§7地下水化学组分及其演变内生水––––指来自地球深部层圈水。内生水研究至今还很不成熟。3．内生水§7地下水化学组分及其演变第七节.地下水化学成份分析及其图示§7地下水化学组分及其演变地下水化学成份分析是研究地下水化学成份及其形成作用基础。工作目标与要求不一样，分析项目与精度也不一样。分析内容在水文地质中分为：简分析、全分析、专门分析。1）简分析目标：了解区域地下水化学成份概貌。特点；分析项目少，精度要求低，简便快速，成本不高，技术上轻易掌握。§7地下水化学组分及其演变简分析分析项目：物理性质：温度、颜色、透明度、嗅味、味道等；定量分析：HCO3、SO42、Cl、Ca2、Mg2，总硬度、pＨ值；经过计算求得：其它主要离子：K+Na、总矿化度Ｍ；定性分析：NO3、NO2、NH4+、Fe2+、Fe3+、H2S、耗氧量等。方法：可在野外利用专门水质分析箱进行；取水样送试验室分析。§7地下水化学组分及其演变2）全分析目标：全方面地了解地下水化学成份。通常在简分析基础上选择有代表性水样进行全分析。特点：分析项目较多，要求精度高。定量分析：HCO3、SO42、Cl、CO32、NO2、NO3、Ca2、Mg2、K、Na、NH4+、Fe2+、Fe3+、H2S、CO2、耗氧量、pH值、干涸残余物TDS。同时分析地表水。因为：§7地下水化学组分及其演变大气降水：为地下水主要补给起源，分析能够说明地下水化学成份形成。§7地下水化学组分及其演变地下水水化学成份表示→库尔洛夫式：将阴阳离子分别标示在横线上。按毫克当量百分数自大到小次序排列。小于10%离子不予表示：2.地下水化学成份库尔洛夫表示式离子毫克当量=离子毫摩尔*离子价离子毫摩尔=离子毫克数/离子量（原子量）毫克当量百分数=某离子毫克当量/阴（阳）离子毫克当量总数§7地下水化学组分及其演变横线前：表示特殊成份、气体成份及矿化度（以M表示），单位都是g/L；横线上下方：将阴/阳离子毫克当量百分数≥10%离子按自大到小次序分别标示；横线后：水温t（oC)。§7地下水化学组分及其演变1）舒卡列夫分类前苏联学者舒卡列夫，依据地下水中六种主要离子（K合并于Na中）及矿化度划分。

依据离子含量对含量大于25%毫克当量阴离子、阳离子进行组合，共分成49型水，每型以一个阿拉伯数字为代表（P67，表7.3）。3.地下水化学分类与图示方法（按地下水化学成份分类）§7地下水化学组分及其演变3.地下水化学分类与图示方法（按地下水化学成份分类）§7地下水化学组分及其演变②按矿化度又分为４组：A组：M<1.5g/L；B组：M=1.5~10g/L；C组：M=10~40g/L；D组：M>40g/L。由表P67，7.3，从左上角→右下角，矿化度由小→大。§7地下水化学组分及其演变如：1–A型水，即矿化度<1.5g/LHCO3–Ca型水，为石灰岩地域经典溶滤水。习惯上我们说：1–A型水（M<1.5g/L），为低矿化HCO3–Ca型水；49–D型水（M>49g/L），为高矿化Cl–Na型水。实际工作中用数字表示水型不方便，而是将阴离子放在前，阳离子放在后（离子含量>25%毫克当量参加命名，且书写时省略离子符号），中间用横线连接，阴、阳离子中有两个以上毫克当量百分数>25％时，则含量大在前，小在后，中间用横线连接。如：HCO3–SO4–Ca–Mg型水。§7地下水化学组分及其演变普通书写时规则：1、阴离子放在前，阳离子放在后（离子含量>25%毫克当量参加命名，且书写时省略离子符号）。2、中间用横线连接。3、阴、阳离子中有两个以上毫克当量百分数>25％时，则含量大在前，小在后，中间用横线连接。如：HCO3–SO4–Ca–Mg型水。如：HCO3–SO4–Ca型水；HCO3–Ca–Mg型水等。§7地下水化学组分及其演变特点：简明易懂，在我国广泛应用。缺点：①以离子含量>25％毫克当量作为划分水型依据，有些人为性；②反应水质改变不够细致（<25%不考虑）。§7地下水化学组分及其演变2）Piper三线图解Piper三线图解由两个三角形和一个菱形组成（P62，图６–４），左下角三角形三条边分别代表阳离子K++Na+、Ca2、Mg2毫克当量%；右下角三角形三条边分别表示阴离子HCO3、SO42、Cl毫克当量%；菱形表示阴、阳离子组合相对含量（毫克当量%）。§7地下水化学组分及其演变§7地下水化学组分及其演变三角形刻度增加方向：阳离子按顺时针方向增加（Ca2、Mg2、K++Na+）；阴离子按逆时针方向增加（Cl

、SO42、HCO3）矿化度大小用圆圈大小表示：圆圈大，M大；圆圈小，M小。普通情况下，在实际工作中仅使用菱形表示地下水化学成份中阴、阳离子组合相对含量。其中一对平行边为阳离子组合；另一对平行边为阴离子组合。刻度增加方向：向上（Ca2＋Mg2，SO42＋Cl）或向下（K+＋Na，HCO3＋CO32）。优点：①不受人影响；②能够分析地下水化学成份演变规律。§7地下水化学组分及其演变§7地下水化学组分及其演变1.总溶解固体？2.地温梯度?3.溶滤作用？4.浓缩作用？5.脱碳酸作用？6.脱硫酸作用？7.阳离子交替吸附作用？8.混合作用？思索题溶滤水？沉积水？内生水？总硬度？§7地下水化学组分及其演变18.地下水中含有各种、、、以及微生物等。19.地下水中常见气体成份有、、、及

等。20.地下水中分布最广、含量较高阴离子有、及

等。21.地下水中分布最广、含量较高阳离子有、、及

等。22.普通情况下，低矿化水中离子常以

及、为主；高矿化水则以