地下水的化学成分及其形成作用省公开课金奖全国赛课一等奖微课获奖课件

第六章地下水化学成份及其形成作用水文地质学基础1/35第一节概述研究地下水化学成份意义：不一样目标利用地下水，对水质有一定要求。处理水文地质理论有很大作用。对说明成矿机理有很大意义。以下几个作用可影响地下水化学成份：1、地下水与周围岩石发生化学反应；2、与大气圈、水圈、生物圈进行水量交换时，交换化学成份；3、人类活动影响地下水化学成份。总之，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。2/35第二节地下水化学特征一、地下水中主要气体成份常见等，尤以前三种为主。气体成份首先能说明地下水所处地球化学环境；另首先，有些气体能够增强水溶解盐类能力，促进一些化学反应。3/35（一）O₂、N₂起源于大气，随大气降水及地表水补给地下水，地下水中O₂、N₂较多，说明地下水以入渗补给为主，与大气圈关系亲密。溶解氧含量越多，说明地下水所处地球化学环境有利于氧化作用进行。N₂单独存在，说明地下水处于封闭还原环境，（大气起源）。4/35（二）H₂S、CH₄说明地下水处于还原环境，有有机质存在，并有微生物参加了生物化学反应，（三）CO₂主要起源于土壤。1、有机残骸发酵作用与植物呼吸作用使土壤中不停产生CO₂溶入径流土壤地下水中；2、含碳酸盐类岩石，在深部高温下，也可变质生成CO₂：地下水中CO₂愈多，其溶解碳酸盐能力越强。5/356/35二、地下水中主要离子成份七种：Na⁺、K⁺、Ca²⁺、Mg²⁺、Cl⁻、SO₄²⁻、HCO₃⁻特点：（1）地壳中元素含量较多，且较易溶于水（Ca、Mg、Na、K）；（2）地壳中含量虽不很大，但极易溶于水元素（Cl、以SO₄²⁻形式出现S）注意：这些离子与水中总溶解固体联络亲密，相互对应。低矿化水中：Ca²⁺、Mg²⁺、HCO₃⁻为主。中等矿化水种：Na⁺、Ca²⁺、SO₄²⁻为主。高等矿化水种：Na⁺、Cl⁻为主。原因：氯盐溶解度最大，硫酸盐次之，碳酸盐溶解度较小。7/351、Cl⁻起源：（1）岩盐或其它氯化物溶解及海相沉积物种埋藏海水；（2）含氯矿物风化；（3）海水；（4）火山喷物溶滤；（5）人为污染。特点：不为植物及细菌所摄取，不被土粒表面所吸附，不易沉淀析出，氯盐溶解度大，是地下水中最稳定离子。8/352、SO₄⁻²起源：（1）含石膏或其它硫酸盐沉积岩溶解。其次天然硫，硫化物氧化使原来难溶于水S以SO₄⁻²形式大量进入水中。2FeS2+7O2+2H2O=2FeSO4+4H++2SO4-2S+3O2+2H2O=4H++2SO4-

（2）化石燃料燃烧产生SO₂（与氮氧化合物）氧化后并吸收水分后组成富含H₂SO₄及NNO₃降雨—酸雨，从而使地下水中SO₄⁻²增加。

(3)有机物分解。3、HCO₃⁻起源：（1）碳酸岩盐溶解；

（2）岩浆岩与变质岩地域HCO₃⁻主要来自铝酸盐矿物风化溶解。9/354、Na⁺起源：（1）沉积岩中岩盐及其它钠盐溶解；（2）含钠矿物风化溶解；5、K⁺起源：（1）含钾盐类沉积岩溶解；（2）变质岩、岩浆岩盐中含钾矿物风化溶解。6、Ca⁺²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。7、Mg⁺²起源：（1）碳酸盐类沉积岩溶解；（2）岩浆岩、变质岩中含镁矿物风化溶解。10/35三、地下水中其它成份1、离子：H⁺

、Fe⁺²

、Fe⁺³

、Mn⁺²

、NH₄⁺、OH⁻、NO₂⁻

、NO₃⁻

、CO₃⁻²

、SiO₃⁻²

、PO₄⁻³2、微量元素：Br、I、F、B、Sr3、胶体：Fe(OH)₃、Al(OH)₃及H₂SiO₃等4、有机质：有机质存在，常使地下水酸度增加。5、微生物：氧化环境中存在硫细菌、铁细菌；还原环境中存在脱硫细菌等；污水中各种致病细菌。11/35四、地下水总矿化度及化学成份表示式（一）TDS：1、概念：地下水中所含各种离子、分子与化合物总量称总矿化度。2、表示：以每公升水中所含克数（mg/l）表示。3、测量：以105℃—110℃时将水蒸干所得干涸残余物总量表示。12/35（二）化学成份表示式：库尔洛夫式

1、依据水分析结果计算各离子参加化合摩尔浓度，各离子参加化合摩尔数量应是离子电价与摩尔浓度之积。

2、计算各离子参加化合摩尔百分数

某阴（阳）离子摩尔百分数（％）=×100％

3、将阴阳离子分别按摩尔百分数降序排列，摩尔百分数大于10％者列入式中，小于10％这也可列入，但须加[].4、库尔洛夫式表示格式以下：微量元素(g/l)气体成份(g/l)矿化度(g/l)=T(℃)pH13/35第三节地下水温度一、基础知识1、地壳表层有两个热能起源：一个是太阳辐射；另一个是来自地球内部热流。2、依据受热影响，地壳表层可分为变温带、常温带及增温带。变温带是受太阳辐射影响地表层带，下限深度15—30m；变温带以下是一个厚度极小常温带，地温普通比当地年平均气温高出1-2℃，普通可将当地年平均气温看成常温带地温。常温带以下受地球内部热源影响，地温随深度加大而有规律地生高。地温梯度，指每增加单位深度时地温增值，地温梯度大致范围在1.5—4℃/100m，平均3℃/100m。但个别新火山活动区能够很高，如西藏羊八井地温梯度为300℃/100m。14/35二、地下水温度地下水温度受其赋存与循环处所地温控制：已知年均气温（t）、常温带深度（h）、地温梯度（γ），可概略计算某一深度地下水温，即：T=t+（H－h）·γ一样，利用地下水温（T），能够推算出其大致循环深度（H），即：15/35第四节地下水化学成份形成作用一、溶滤作用水与岩土相互作用下，岩土中一部分物质转入地下水中，这就是溶滤作用。溶滤作用结果是岩土失去了一部分可溶物质，地下水则补充了新成份。1、溶滤作用强度影响原因（1）、组成岩土矿物盐类溶解度溶解度越大，溶滤作用越强；16/35（2）、岩土空隙特征缺乏空隙岩土体，水难于和矿物盐类充分接触，溶滤作用微弱；（3）、水溶解能力①水对盐溶解能力不是无限量，当水中某盐类含量到达其溶解度时，水对此盐类便失去溶解能力，总体上说，低矿化水溶解能力强，而高矿化水溶解能力弱；②水中CO₂、O₂等气体成份含量决定着一些盐类溶解能力。17/35（4）、水流动性停滞地下水，随时间推移，水中溶解盐类增多，CO₂、O₂等气体耗失，最终将失去溶解能力；地下水流动快速时，矿化度低，含CO₂、O₂大气降水和地表水等水源便会不停入渗更新含水层中水，使地下水能够保持较强溶解能力。2、溶滤作用特点（1）、溶滤作用越强，时间越长，矿化度越低，水中以难溶离子为主要成份；（2）、气候潮湿多雨、地质结构开启性好、岩层导水能力强、地下水径流与水交替快速地域，地下水矿化度越低。18/35二、浓缩作用溶滤作用将岩土成份溶于水中，地下水流动又把这些物质带到排泄区。假如一个地域以蒸发为地下水主要排泄去路，就会发生浓缩作用。蒸发作用只排走水分，盐分仍保留在余下水中，随时间推延，地下水溶液逐步浓缩，矿化度不停增大，随矿化度升高，溶解度较小盐类在水中相继到达饱和而沉淀析出，易溶盐类离子逐步成为水中主要成份。19/351、产生条件（1）处于地下水排泄区因为只有水源源不停地向某一范围供给，才能从别处带来大量盐分，使之聚集。（2）干旱或半干旱气候（3）地势低平，岩土颗粒细小，水位埋深较浅20/35三、脱碳酸盐作用当温度高或压力降低时，水中CO₂溶解度减小，一部分CO₂从水中逸出，这便是脱碳酸作用。结果：地下水中HCO₃⁻、Ca⁺²、Mg⁺²降低，矿化度降低21/35四、脱硫酸作用当在还原环境中，当有有机质存在时，若硫细菌能使SO₄⁻²还原为H₂S：结果：水中SO₄⁻²降低，HCO₃⁻增加，pH值增大。22/35五、阳离子交替吸附作用一定条件下，岩土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化为地下水中组分，这便是阳离子交替吸附作用。产生原因：不一样阳离子其吸附于岩土表面能力不一样。吸附能力大小次序：H⁺＞Fe⁺³＞Al⁺³＞Ca⁺²＞Mg⁺²＞K⁺＞Na⁺以含钙为主地下水，进入主要吸附有Na+岩土时，水中Ca⁺²便置换岩土所吸附一部分Na⁺，，使地下水中Na+增多，Ca⁺²降低。粘土及粘土岩类最易发生离子交换吸附，而在致密结晶岩中，实际上不发生这种作用。（岩土吸附能力取决于岩土比表面积，颗粒越细，比表面积越大，交替吸附作用能力越强）注；比表面积，单位体积多孔介质内全部颗粒总表面积23/35六、混合作用成份不一样两种水混合在一起，形成化学成份与原来二者都不一样地下水，这便是混合作用。混合作用结果（1）发生化学反应比如，当以SO₄⁻²、Na⁺为主地下水与含有Ca⁺²、HCO₃⁻为主地下水混合时，地下水便形成以Na⁺、HCO₃⁻为主地下水。（2）不发生显著化学反应比如，当高矿化NaCl海水混入低矿化重碳酸钙、镁型地下水中，基本上不产生化学反应，混合水矿化度与化学类型取决于参加混合两种水成份及其混合百分比。24/35七、人类活动1、人类活动产生废气物污染地下水；2、人为作用大规模地改变了地下水形成条件，从而使其化学成份发生改变（过量开采地下水引发海水入侵、不合理引水浇灌轻易造成次生盐碱化）25/35第五节地下水化学成份基本成因类型一、溶滤水富含CO₂、O₂渗透成因地下水，溶滤它所径流岩土而取得其主要化学成份，这种水称为溶滤水。溶滤水化学成份组成主要依靠溶滤作用，所以，其化学成份受岩性、气候、地形等原因影响。绝大部分地下水属于溶滤水。二、沉积水指与沉积物大致同时生成古地下水。河、湖、海相沉积物中水含有不一样原始成份，在漫长地质年代中水质又经历了一系列复杂改变，通常是一些高矿化咸水。26/35三、内生水

20世纪初，曾把岩浆看作温泉分异产物，以后发觉，在大多数情况下，温泉是大气降水渗透到深部加热后重新升到地表形成。近年来，一些学者经过对地热系统热均衡分析得出，仅靠水渗透深部取得热量无法解释一些高温水出现，认为应有10%—30%水来自地球深部圈层高热流体加入，这么，源自地球深部圈层内生水又逐步为人们所重视。但内生水研究，至今尚不成熟。27/35第六节地下水化学成份分析内容一、分析内容1、地下水化学分析类别依据工作目标与要求不一样，分析项目与精度也不一样，在普通水文地质调查中，分为简分析和全分析，为了配合专门任务，则进行专题分析。简分析用于了解区域地下水化学成份概貌，主要分析HCO₃⁻、SO₄⁻²、Cl⁻、Ca⁺²、总硬度、ｐH值。其目标是为了初步了解水质是否适于饮用。全分析用于全方面了解地下水化学成份。全分析并非分析水中全部成份，普通定量分析以下各项：HCO₃⁻、SO₄⁻²、Cl⁻、Ca⁺²、NO₃⁻、NO₂⁻、K⁺、Mg⁺²、Na⁺、NH₄⁺、Fe⁺³、Fe⁺²、H₂S、CO₂、耗氧量、pH值及干涸残余物28/352、在进行地下水化学分析同时，必须对相关地表水体取样分析假如地表水体是地下水补给源，则地表水成份将影响地下水；假如地表水是地下水排泄去路，则地表水反应了地下水化学改变最终止果。3、地下水化学分析结果表示地下水化学分析结果，将离子含量以毫克/升与毫克当量/升表示。这么，水中离子含量能够用毫克当量/升及毫克当量百分数表示。毫克当量百分数分别以阴、阳离子毫克当量为100％，求各阴、阳离子占毫克当量百分比。29/35二、地下水化学分类与图示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。含量大于25％毫克当量阴离子和阳离子进行组合，共分成49型水，每型以一个阿拉伯数字作为代号。按矿化度又划分为4组：A组矿化度小于1.5g/L，