第4章 地下水的物理性质和化学成分

第四章地下水的物理性质和化学成分地下水有哪些物理性质和化学成分？地下水物理性质和化学成分形成的原因？研究地下水物理性质和化学成分的意义和方法。本章内容第一节地下水的物理性质

第二节地下水的化学成分

第三节地下水主要化学性质

第四节地下水化学成分的形成

第五节地下水化学成分的基本成因类型

第六节地下水化学成分研究方法

第七节煤矿区地下水化学特征CompanyLogo第一节地下水的物理性质一、地下水的温度1、地温——影响地温的热源：太阳辐射和地热地温可分三个带（图4-1）：变温带常温带增温带年常温带深度（图4-2）地下水的温度与其存在的地层温度是基本一致的。一、地下水的温度地温梯度：指年常温带以下，深度每增加100m时地温的增加值。oC/100m。其倒数称为地热增温级。m/℃不同地区由干岩石的导热性、地壳运动和水文地质条件的不同，地热增温级有所变化。我国部分地区地热增温级一、地下水的温度2、地下水的温度计算地下深处的水温（温泉水的循环深度）Th——H深度处地下水的温度，oCTb——年常温带温度，oCH——地下水循环深度，mh——年常温带深度，mG——地热增温级，m/oC表4-1地下水按温度分类类

型过冷水冷

水温

水热

水过热水水温，℃＜00～2020～4242～100＞100二、地下水的颜色地下水一般无色。（表4-2

）地下水的颜色的测定——比色管三、地下水的透明度透明度分级：透明的——无悬浮物，>60cm水深见图像半透明的——少量悬浮物，30~60cm水深见图像微透明的——有较多悬浮物，<30cm水深见图像不透明的——大量悬浮物，似乳状，水深很小也看不清图像测定方法：量筒（高100cm，直径3cm）＋黑十字线（粗3mm）四、地下水的气味取决于水中所含的气体成分和有机质的含量气味强度等级：

0无没有任何气味

I极微弱有经验分析者能察觉

II弱注意辨别时，一般人能察觉

III显著易察觉，不处理不能饮用

IV强气味引人注意，不能饮用

V极强气味强烈扑鼻，不能饮用地下水的味道，（表4-5）地下水的比重，地下水的导电性地下水的放射性物理性质的应用：大致判断化学性质、利用物理性质。第二节地下水的化学成分地下水化学成分的特点：

地下水不是纯的H2O，而是成分复杂天然溶液。水是良好的溶剂，在空隙中运移时，可溶解岩石中的成分。在自然界水循环过程中，地下水与大气圈、水圈与生物圈同时发生着水量和化学成分的交换。化学成分：气体成分、离子成分、胶体物质、有机质等。地下水化学成分研究的意义

理论上：揭示地下水的形成和起源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，可以回溯一个地区的水文地质历史，阐明地下水的起源与形成。

地下水化学成分研究的意义

实际应用：水质评价A、确定饮用水、工农业用水B、提取化工原料C、确定含水层之间及与地表水间的水力联系D、查明地下水的侵蚀能力E、查明地下水水质污染源F、揭示地下水的地质作用规律，实现水质找矿G、医疗用水、地方病研究方法：研究地下水的化学成分与作用必须与地下水的流动条件结合地下水化学成分研究的意义

F、揭示地下水的地质作用规律，实现水质找矿富有化学成分沉积岩溶地下水迁移富集分散卤岩、金属矿产、油田一、地下水主要的气体成分1、氧（O2）：具有氧化作用主要来源——大气、地表水和植物光合作用。含量——通常在0-14mg/l之间。氧化作用——若>3.5mg/l，即处于氧化环境2、氮（N2）来源——大气圈，随降水入渗进入含水层中，如富含O2与N2——说明地下水是大气起源的，另还有生物起源与变质起源环境：在封闭环境下，氧被耗尽只剩下N2，指示水是大气起源且处于封闭环境来源的判别——N2和惰性气体间的比例关系3、二氧化碳：具有溶蚀作用来源（1）表生带的生物化学作用使有机物分解而成（2）由地壳深部变质作用和火山作用形成（3）工业发展而人为产生一、地下水主要的气体成分4、硫化氢（H2S）、甲烷（CH4）：地下水中出现H2S和CH4，意义恰好和出现O2相反，说明处于还原的地球化学环境。来源（1）生物化学作用SO42-+2C+2H2O→2HCO3-+H2S（2）地壳深部的变质作用及火山作用二、地下水中主要离子成分水中离子成分主要取决于：①元素的丰度（克拉克值)：某元素在地壳化学成分中的重量百分比；②元素组成的化合物在水中的溶解度地壳中主要元素有哪些？地壳中丰度较高的元素：Si、Al、Fe（地下水中低）地壳中丰度较低的元素：Cl、S、C（地下水中高）地下水中主要离子有：阴离子：HCO3-、SO42-、Cl-

阳离子：Ca2+、Mg2+、K+、Na+

次要离子：CO32-、NO3-、NO2-、H+、NH4+、Fe2+、Fe3+、Mn2+氯离子(Cl-)主要来源：岩盐或其它含氯沉积岩、岩浆岩中含氯矿物、海水入渗、直接来自深部热水或火山喷发物、人为污染特点：分布很广，最为稳定，是高矿化水的主要阴离子硫酸根离子（SO42-）主要来源：含石膏或其它硫酸盐岩石、含硫矿物硫化矿物的水解氧化、酸雨渗入地下特点：含量变化范围较大，是中等矿化度水中最主要的阴离子重碳酸根离子（HCO31-）来源：水对碳酸盐岩的溶解、长石类铝硅酸盐矿物的风化水解特点：分布很广，但其绝对含量始终不高，是低矿化度水的主要阴离子，在中性和弱碱性水中含量最高。钠离子（Na+)来源：沉积岩中岩盐及其它钠盐的溶解、岩浆岩和变质岩类含钠矿物的风化水解特点：分布很广，含量变化很大，是高矿化水的主要阳离子，但其含量总小于CL-钾离子（K+）来源：含K+类沉积岩的溶解、正长石等含钾矿物的风化水解特点：分布情况与Na+相近，但其含量明显小于Na+钙离子（Ca2+）来源：碳酸盐类岩石溶解、含石膏等沉积岩的溶解、钙长石等含钙矿物的风化水解及生物残骸分解特点：地下水分布很广，含量变化很大。镁离子（Mg2+）来源：白云岩、泥灰岩等碳酸盐岩的溶解、橄榄石辉石等含镁矿物的风化溶滤特点：含量由每升数毫克到数十克。大部分地区含量小于Ca2+三、地下水中的同位素（表4-8）主要同位素有：氢（1H、2H、3H）、氧（16O、18O）、碳（12C、13C、14C）、硫（32S、34S、）富集程度：不同成因的地下水都有其特定和值变化范围，故据此可以判断地下水成因和形成条件第三节地下水主要化学性质pH值：溶液中H+浓度负对数来表示溶液的酸碱性。pH值决定了水中HCO3-、CO32-、CO2的含量一、酸碱性pH＜7，地下水以含H2CO3为主pH7~9，HCO3-为主pH＞9，CO32-为主式中：Eh——介质的氧化还原电位，VEh0——标准电位；

n——氧化还原中得失电子数

[氧化态]、[还原态]分别表示反应中氧化态物质和还原态物质的摩尔浓度。——氧化剂与还原剂之间的电位差，单位为V。能斯特公式——25℃时，Eh与物质浓度之间的关系Eh值和Ph值的关系，二者是衡量地下水地球化学环境的最主要指标，见表4-10表4-10水文地球化学环境特征地球化学环境EhPH气体mg/LFemg/LO2H2SFe2＋Fe3＋氧化环境＞＋100＜6＞3无无或痕迹0.1～300过渡环境＋100～－1006～8＜3＜10＜25＜25还原环境－100～－500＞8无＞1025～2000无或痕迹二、氧化、还原电位Eh三、矿化度或总固体溶解物(TDS）

矿化度：地下水中各种离子、分子与化合物的总量。求算方法：①105～110℃温度下，水样烘干后的干涸残余物质，单位：g/L,mg/L(ppm)②计算中，用全分析实验结果，阴阳离子总和减

1/2HCO-3含量求算据矿化度的水样分类：

<1g/L,1～3g/L,3～10g/L,10～50g/L,>50g/L

淡水微咸水

咸水盐水卤水矿化度M与各种离子间的关系M低，HCO3-、Ca2+、Mg2+为主M中等，SO42-、Ca2+、Na+为主M高,Cl-、Na+为主四、地下水的硬度由于水中含有Ca2+、Mg2+而具有的性质，水中Fe3+、Al3+也具有硬度。总硬度：水中钙、镁离子的总量。是暂时硬度和永久硬度的总和。暂时硬度：水加热沸腾后，析出的钙、镁离子的含量。

Ca2++2HCO3-→CaCO3↓+H2O+CO2↑永久硬度：水沸腾后，仍保留在水中的钙、镁离子含量。主要是Ca2+、Mg2+的硫酸盐和氯化物。碳酸盐硬度：与HCO3-平衡的钙、镁含量。负硬度：水中HCO3-含量大于总硬度，多余的这部分HCO3-含量称为负硬度。负硬度=r(HCO3-)-r(Ca2++Mg2+)四、地下水的硬度硬度表示方法德国度（H0)：一升水含10mgCaO或7.2mgMgO；毫克当量数（meq/L）：每升水中含有Ca2+、Mg2+毫克当量的总数，即一升水中含有Ca2+、Mg2+分子数乘以化合价；摩尔数（mol/L）：每升水中含有Ca2+、Mg2+摩尔的总数。1毫克当量（meq/L）=2.8德国度（H0）地下水按硬度分类，见表4-12侵蚀性CO2对混凝土的侵蚀硫酸盐侵蚀酸性侵蚀五、地下水的侵蚀性第四节地下水化学成份的形成地下水化学成分的形成作用溶滤作用—水岩相互作用时发生浓缩作用—蒸发排泄时发生脱碳酸作用—在温度与压力发生变化时产生脱硫酸作用—在还原环境下发生：SO42-→H2S↑阳离子交替吸附作用—岩土表面吸附的阳离子与水中阳离子发生交换混合作用—2种不同类型地下水混合时发生人类活动的作用——影响越来越大溶滤作用的影响因素不同的矿物有不同的溶解度，溶解度越大越易溶滤。表4-13岩石的空隙越大，越易发生溶滤作用水的溶解能力越强，越易发生溶滤作用饱和度、温度（图4-9）、PH值、侵蚀性水的交替能力是决定溶滤作用的关键因素溶滤作用的时间性一、溶滤作用通常刚渗入到地下的水，矿化度很低，随着水在地下含水岩层的运移，不断有新的盐份溶解到水中，水中TDS↑，水的溶解能力下降，最终水的溶解能力→0。地下水是如何保持它的溶解能力的？

——地下水的流动（交替）性

地下水的径流速度和交替强度（

V与

Q）地下水如果流动速度快，水交替（更新）迅速，CO2，O2不断被补充，低TDS水不断更新溶解能力已降低的水。长期作用下去，地下水水化学特征如何？一、溶滤作用——结果一、溶滤作用——结果长期、强烈溶滤作用的结果，地下水以低矿化度的难溶离子为主，HCO3—Ca水

或

HCO3—CaMg这是由溶滤作用的阶段性决定！在由多种盐类组成的岩石中：早期，Cl盐最易溶于水中→随水带走，岩土贫Cl盐继续作用，较易溶SO42-盐类被溶入中→随水带走，贫SO42-盐类持续,（岩土中）只剩较难溶的碳酸盐类。因此，分析溶滤作用及其地下水的成分特征：①

要从地质历史发展的眼光（角度）来理解—它是地质历史长期作用的结果②

地下水是不断运动的—溶解的组分会被带去（岩土组分变化）前期溶滤作用—溶滤什么组分，水中获得相应组分后期溶滤作用—长期强烈溶滤作用的结果是难溶成分的低矿化水要用地质历史的观点去考察，去分析与研究问题！！1.0L水350mg/L

蒸发（1）0.5L水700mg/L蒸发（2）0.25L水1400mg/L蒸发（3）0.125L水2800mg/L0.5L水1.0L水0.25L水二、浓缩作用：

地下水因蒸发失去水分，造成盐类积累浓缩的作用理想的蒸发浓缩模式：结果：往往形成高矿化度、以易溶离子为主的地下水（Cl-—Na+为主）影响因素—与蒸发排泄的影响因素相同(气候-地下水位-土层岩性)丘陵

倾斜平原区

低平原

浓缩作用水流迟缓

矿化度高、Cl--Na过渡区矿化度中、SO4--MgCa

地下水化学特征具有分带性溶滤作用水交替迅速

矿化度低、HCO3--Ca由于地下水化学成分形成作用受区域自然地理与地质条件的影响，地下水的化学特征往往具有一定的分带性（空间上的）。三、脱碳酸作用（钟乳石、石笋、泉华）Ca2+(Mg2+)+2HCO3-

→CO2↑+H2O+CaCO3(MgCO3)↓结果：Ca2+↓Mg2+↓HCO3-↓矿化度↓pH↓（略有变化）四、脱硫酸作用(还原环境中脱硫酸细菌使SO42-还原为H2S）结果：SO42-↓；HCO3-↑，pH↑；寻找油田的辅助标志。五、阳离子吸附交替作用定义：岩土颗粒表面往往带有负电荷，可以吸附某些阳离子。当地下水与岩土表面接触时，地下水中某些阳离子会与被吸附的阳离子发生交换，从而导致地下水的化学成分发生变化。结果：某种阳离子↓，另一种阳离子↑各种阳离子的交替吸附能力：H+>Fe3+>Al3+>Ba2+>Ca2+>Mn2+>Mg2+>K+>Na+>Li+

Ca2+(水中)+2Na+(吸附)→2Na+(水中)+Ca2+(吸附)当离子浓度不同时，浓度大的离子易被吸附：

2Na+(水中)+Ca2+(吸附)→Ca2+(水中)+2Na+(吸附)最易在细颗粒的岩土中，特别是粘土、亚粘土中发生。吸附作用的影响因素：阳离子本身被吸附的能力（化学价越高，被吸附能力越强）与离子的浓度有关与颗粒的吸收能力有关(比表面积）交替吸附作用的意义：改善水质、改良土壤六、混合作用——结果不一定！！定义：由浓度和成分不同的水互相混合，使地下水的化学成分发生变化。分类：物理混合：机械混合后矿化度发生变化，水化学类型介于二者之间

化学混合：混合后发生化学反应，形成化学类型完全不同的新型地下水

例如当以SO42-、Na+为主的地下水与HCO3-、Ca2+水混合时，可发生反应：Ca(HCO3)2+Na2SO4→CaSO4↓+2NaHCO3七、人为活动的作用（影响）人类活动地地下水化学成分形成中作用人类活动的污染物影响地下水的水质人工抽水在水位下降时也影响水质人类活动影响地下水的形成、排泄条件而改变水质采矿活动影响地下水第五节地下水化学成分的成因类型一、渗入水（溶滤水）

大气水、地表水或凝结水渗入地下形成，主要分布在浅层。主要特征：矿化度较低，一般小于0.5g/L，以HCO3-Ca型为主，并含有Mg2+、Na+离子，富含O2、N2、CO2

岩性影响因素气候：潮湿气候—低矿化重碳酸盐水干旱气候—高矿化氯化物水地貌：切割强烈的山区—低矿化、难溶离子为主的地下水地势低平地区—矿化度及易溶离子含量高一、渗入水（溶滤水）1、可溶岩分布区——溶解盐岩区：Cl-、Na+石膏、天青石区：SO42-

、Ca2+碳酸盐岩：HCO3-

、Ca2+

如含白云石：HCO3-

、Mg2+2、岩浆岩、变质岩——风化水解正长石：K一般形成HCO3—K钙长石：Ca一般形成HCO3—Ca钠长石：Na酸性岩浆岩HCO3—Na橄榄石：Mg基性岩浆岩HCO3—Mg潜水的水化学分带干旱地区的山间盆地：例如，新疆吐鲁番盆地，从盆地边缘的洪积扇顶部，到盆地中心的藏丁湖，大致可分为三个水化学带。第一带是重碳酸盐水带，以HCO3-及Ca2＋为主，矿化度0.25～1克／升第二带是硫酸盐水带，阴离子以SO42-为主，阳离子则以Ca2＋为主，向下缘渐转为以Na＋为主，矿化度为l～3克／升，下缘增大到12克／升第三带是氯化物水带，以Cl-、Na＋为主，矿化度一般为30克／升左右，到藏丁湖畔则接近300克／升。黄淮海平原浅层地下水矿化度分布左图反映了黄淮海平原浅层地下水矿化度分布。自南而北地下水矿化度变大，这显示了气候分带的影响，降水最正是由南向北逐渐减少的。由山前向海边地下水矿化度逐渐变大，说明山前的岩性地貌条件有利于发育溶滤作用，而滨海地区则受海潮浸渍，且地势低、岩性细，大陆盐化作用发育。黄河以北的冲积平原中，浅层地下水矿化度呈条带状变化，与河流沉积的岩性地貌分带一致；地形较高，沉积物较粗的河道带，溶滤作用较强，地下水矿化度低；河间地带，岩性细，地势低，盐化作用为主，地下水矿化度较大。沉积岩形成过程中形成或进入岩石中的水。沉积水特征：一般是矿化度很高的Cl-Na(Ca)型水，矿化度比海水高得多，最高可达300g/L以上SO42-很少，HCO31-略有升高，PH值较高Ca2+相对增多，Na+有所减少含较多Br、I、B等微量元素出现CH4和H2S并含有重水同位素。沉积水化学特征形成的原因蒸发浓缩作用、脱硫酸作用、阳离子交替吸附作用二、沉积水(埋藏水)

海相淤泥沉积水化学成分形成的作用：（1）蒸发浓缩作用：矿化度显著增高；（2）脱硫酸作用：SO42-减少，出现H2S，HCO3-增加，pH增大；（3）HCO3-增加与pH值增高，一部分Ca2+、Mg2+与HCO3-作用生成CaCO3与MgCO3沉淀析出；（4）阳离子交替吸附作用；（5）Br与I的增加是生物富集并在其遗骸分解时进入水中所致；（6）CH4、NH4、N2等是细胞与蛋白质分解以及脱硝酸作用的产物。二、沉积水(埋藏水)

三、内生水发生在地壳深部的许多地质作用，如火山喷发作用、岩浆作用和变质作用均有水产生，这些水称为内生水。内生水类型：初生水和再生水。再生水：在矿物中存在着沸石水、结晶水和结构水，它们是在岩浆冷凝时称为矿物组成的，在高温影响下从矿物中析出成为自由状态的水。近期火山活动与岩浆侵入地区的高温，有利于再生水的形成。初生水：岩浆冷凝时析出的水。初生水及再生水的研究，有助于弄清地下水的起源，岩浆——热液矿床的形成机理，以及地球本身演化的某些问题。第六节

地下水化学成分研究方法一、地下水化学分析的种类及要求地下水化学成分的分析内容

——是水质评价基础分为简分析和全分析，某些专门性工作进行专项分析。

简分析：——取样500～1000ml

除物理性质（色、味、嗅、透明度、悬浮物等）主要定量分析：

HCO3-、SO42-、Cl-、Ca2+、

总硬度、pH,Mg2+、

K++Na+

及

矿化度有时含专项分析：

NO3-，NO2-

，NH4，Fe2+Fe3+，H2S，

耗氧量等全分析——取样2000ml

项目较多，要求精度高，通常在简分析得基础上选择代表性水样进行全分析一般定量分析：HCO3-,SO42-,Cl-，Ca2+,Mg2+,K+,Na+，NO3-，NO2-

，NH4+

，Fe2+Fe3+，H2S，CO2,耗氧量，总硬度，pH，及干涸残余物；某些微量元素、有毒组分；研究水的侵蚀性时需分水的侵蚀性CO2。全国地下水污染防治规划——调查指标一、地下水化学分析的种类及要求①感官指标：肉眼可见物、颜色、嗅、味、透明度、浑浊度、色度、水温等。②常规组分：pH值、游离二氧化碳、Cl-、SO42-、HCO3-、CO32-、K+、Ca2+、Na+、Mg2+、NH4+、Fe2+、Fe3+、NO2-、NO3-、F-、Br-、I-、PO43-、COD、可溶性二氧化硅、总硬度、矿化度等。③重金属组分：Hg、Cu、Pb、As、Cd、Mn、Zn、Ni、Co、Cr6+、总Cr、V、W、Sr、Ba、U、Ra、Se、Al3+等。全国地下水污染防治规划——调查指标（1）④有机污染组分：三氯甲烷、四氯化碳、三溴甲烷、二氯甲烷、1，2-二氯乙烷、环氧氯丙烷、氯乙烯、1，1-二氯乙烯、1，2-二氯乙烯、三氯乙烯、四氯乙烯、氯丁二烯、六氯丁二烯、苯乙烯、甲醛、乙醛、丙烯醛、三氯乙醛、苯、乙苯、二甲苯、异丙苯、氯苯、1，2-二氯苯、1，4-二氯苯、三氯苯、四氯苯、六氯苯、硝基苯、二硝基苯、2，4-二硝基甲苯、2，4，6-三硝基甲苯、硝基氯苯、2，4-二硝基氯苯、2，4-二氯苯酚、2，4，6-三氯苯酚、五氯酚、苯胺、联苯胺。DDT、六六六（总量）、林丹（γ-六六六）、2，4-滴、七氯、呋喃丹、敌敌畏（含敌百虫）。

⑤生物学指标：总大肠菌群、菌落总数。全国地下水污染防治规划——调查指标（2）

二、水化学分析资料整理和表示方法1、离子毫克数表示法（mg/L）即每升水中含离子的毫克数。表示绝对含量。2、毫克当量表示法（meq/L）一升水中某离子的毫克当量数＝该离子的毫克数/该离子的当量毫克当量数也是离子的毫克分子数乘以化合价二、水化学分析资料整理和表示方法3、毫克当量%表示法某一离子的毫克当量百分数＝某离子的毫克当量数/毫克当量总数

4、摩尔表示法（mol/L）

二、水化学分析资料整理和表示方法分式前：特殊成分、气体成分、矿化度M，单位(g/L)分式上下：阴、阳离子（毫克当量百分数>10%或称视毫摩尔百分数）分式后：水温（oC)定名：毫克当量百分数>25%的阴阳离子，阴离子在前，阳离子在后，含量大者在前，小者在后。特点是直观、表示简单也较全面，可以反映水的成因类型5、库尔洛夫式:（表4-15）6、图示法采用不同的图式或颜色表示水中不同的离子的相对含量。图式法包括柯林柱状图解法见图4-11圆形指示灯图示法见图4-12水化学玫瑰花图示法见图4-13六边形图解法，见图4-14二、水化学分析资料整理和表示方法（一）舒夫卡列分类前苏联学者C.A.Щукалев提出来的:方式：将地下水中主要七种离子合并为6种，取含量（毫克当量百分数，或视毫摩尔百分含量）≥25%的离子，组合定名。阴、阳离子≥25%的出现情况各有7种（7种组合）

两者（阴、阳）共组合为

7×7=49种水型加上矿化度分——分为4组：

A:

TDS<1.5g/L，B:TDS1.5～10g/L

C:

10～40g/L，

D:

>40g/L如：B—46查表

中等矿化度

Cl—NaCa型

A—1查表

沉积岩地区浅层溶滤水特点：简明易查，被广泛应用（见表4-16，4-17

）三、地下水化学成分分类三、地下水化学成分分类舒卡列夫分类图表三、地下水化学成分分类（二）布罗茨基分类离子成分：水中常见的六种离子，以毫克当量数占第一、第二的两种阴离子和阳离子确定水型，得36种水型。矿化度：四个亚类<1g/l1～5g/l5～30g/l>30g/l优点：以毫克当量数表示在分类中突出地显示了离子含量的主次关系，使用方便，能较好地反映地下水的形成过程和循环条件。缺点：过分强调主次关系，而忽视了数量关系。（见表4-18

）三、地下水化学成分分类阿廖金分类：首先根据三种主要阴离子含量最多者划分出三大类，每一类再根据三种主要阳离子分为三个组，然后又按阴阳离子的比例关系，分四个型，每组有三个型。见图4-15。表示方法：皮伯三线图解：由二个三角形和一个菱形共同组成。见图4-16，菱形图中分9