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1、第六章地下水的化学成分、物理性质及其形成作用61 地下水的化学特征62 地下水的物理性质63 地下水化学成分的形成作用64 地下水化学成分的基本成因类型65 地下水化学成分的分析内容与分类图示66 地下水的水质评价概述一、地下水是一种复杂溶液 地下水不是化学上纯的H2O，而是一种复杂的溶液。其原因：1.地下水与岩土不断发生化学反应；2.地下水与大气圈、水圈和生物圈进行化学成分交换；3.地下水在人类活动影响下化学成分发生深刻变化。二、研究地下水化学成分特征的意义 1.地下水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。它反映了该地区地下水的历史演变。研究地下水的化学成分
2、，可以帮助我们回溯一个地区的水文地质历史，阐明地下水的起源与形成。2.水是地球中元素迁移、分散与富集的载体。许多地质过程（岩溶、沉积、成岩、变质、成矿）都涉及地下水的化学作用。研究成矿等地质过程中地下水的化学作用，对于阐明成矿机制，完善和丰富成矿理论具有重要意义。3.地下水化学成分对于用于各种地下水利用的目的，水质评价都具有决定性意义。4.地下水化学成分的确定，有助于查明地下水有关物质的迁移、分散规律，对寻找矿产资源，确定矿床或污染源位置具有重要意义。三、地下水化学成分研究理论及特征 1.理论基础：水文地质学的分支水文地球化学，研究地下水中化学元素迁移、集聚与分散的规律，地下水水质演变的学科。
3、2.学科联系：地下水动力学，研究地下水运动与地下水水量变化的学科。两者构成了水文地质学的理论基础。3.研究特征：1）水文地球化学的研究必须与地下水运动研究紧密结合，因为地下水中元素的迁移不能脱离水的流动。2）不能从纯化学角度，孤立、静止地研究地下水的化学成分及其形成，而必须从水与环境长期相互作用的角度出发，揭示地下水化学演变的内在依据与规律。因为地下水水质的演变具有时间上继承的特点，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。地下水水流过程的阴离子变化61 地下水的化学特征一、地下水总体化学成分 各种气体、离子、胶体物质、有机质以及微生物等。自然界中存在的元素，绝大多数已在地下水中发
4、现。二、地下水中主要气体成分 1.主要成分及含量：常见的气体成分有O2、N2、CO2、CH4 及H2S 等，含量不高，每公升水中只有几毫克到几十毫克。2.作用：1）反映地下水所处的地球化学环境；2）有些气体会增加水溶解盐类的能力，促进某些化学反应。三、主要气体成分特点 1.氧（O2）、氮（N2）1）来源：主要来源于大气。它们随同大气降水及地表水补给地下水。以入渗补给为主、与大气圈关系密切的地下水中含O2 及N2 较多。2）特点：a.O2多，说明地下水所处的地球化学环境有利于氧化作用进行，环境开放；b.N2单独存在，通常说明地下水起源于大气并处于还原环境。c.大气中的惰性气体(A、Kr、Xe)与
5、N2 的比例恒定，即：(A+Kr+Xe)N20.0118。比值等于此数，说明N2 是大气起源的；小于此数，表明水中含有生物起源或变质起源的N2。2.硫化氢（H2S）、甲烷（CH4）1）来源：H2S 与CH4来自于大气比较隔绝的环境中，有有机物存在，微生物参与的生物化学过程中生成。其中，H2S 是SO4 2-的还原产物。2）特点：地下水中出现H2S 与CH4，说明其处于还原的地球化学环境，常出现在封闭地质构造的地下水中。SO4 2-H2S，成煤过程，煤田水，成油过程，油气藏，油田水3.二氧化碳（CO2）1）来源：a.主要来源于土壤。有机质残骸的发酵作用与植物的呼吸作用使土壤不断产生CO2，并溶入
6、流经土壤的地下水中。b.深部变质来源。含碳酸盐类的岩石，在深部高温下，也可以变质生成CO2。在少数情况下，地下水中可能富含CO2 甚至高达1g/L 以上。c.少量来源于降水和地表水，但含量通常较 低。d.人为来源。2）作用：地下水中含CO2 愈多，其溶解碳酸盐岩与对结晶岩进行风化作用的能力便愈强。四、地下水中主要离子成分 1.总体特征 1）主要离子成分：氯离子（C1）、硫酸根离子(SO42-)、重碳酸根离子（HCO3）、钠离子（Na+）、钾离子（K+）、钙离子（Ca2+）及镁离子（Mg2+）。2）地下水中上述离子分布广、含量多的原因：a.构成这些离子的元素，是地壳中含量较高，且较易溶于水的。如
7、：O2、Ca、Mg、Na、K。b.含量虽不大，但极易溶于水的。如：Cl、以SO42-形式出现的S。而Si、A1、Fe 等元素，虽然在地壳中含量很大，但由于其难溶于水，地下水中含量通常不大。3）不同矿化度地下水中主要离子成分特征 a.低矿化水（1g/L）：以HCO3及Ca2+、Mg2+为主；b.高矿化水（10-30g/L）：以Cl及Na+为主；c.中等矿化水（1-10g/L）：以SO42-为主，阳离子可以是Na+，也可以是Ca2+。4）地下水的矿化度与离子成分间对应关系主要原因 常见离子在水中的相对含量与地下水中的总固体溶解物或矿化度有关是由于水中盐类溶解度的不同。地下水中常见盐类的溶解度（，单
8、位：g/L）由于溶解度碳酸盐类 硫酸盐类 氯化物，钙的硫酸盐，特别是钙、镁的碳酸盐，溶解度最小；随着矿化度增大，钙、镁的碳酸盐首先达到饱和并沉淀析出，继续增大时，钙的硫酸盐也饱和析出，因此，高矿化水中便以易溶的氯和钠占优势了（由于氯化钙的溶解度更大，因此在矿化度异常高的地下水中以氯和钙为主）。2.各主要离子成分特点及来源 1）C1 特点：分布广泛，但含量变化范围大，随着矿化度增长而不断增加。氯离子不为植物及细菌所摄取，不被土粒表面吸附，氯盐溶解度大，不易沉淀析出，是地下水中最稳定的离子。C1的含量常可用来说明地下水的矿化程度。来源：a.来自沉积岩中所含岩盐或其它氯化物的溶解；b.来自岩浆岩中含
9、氯矿物，如：氯磷灰石Ca5(PO4)3Cl、方钠石NaAISiO4NaCl等的风化溶解；c.来自海水；d.来自火山喷发物的溶滤；e.人为污染。注意：矿化度不高的地下水中，如发现C1的含量超过寻常，则说明很可能已受到污染。2）SO42-特点：高矿化水中，SO42-的含量仅次于C1，可达数克升，个别达数十克升；在低矿化水中，一般含量仅数毫克/升到数百毫克升；中等矿化的水中，SO42-成为含量最多的阴离子。与C1 相比，不如C1含量高和稳定，原因是：a.CaSO4溶解度较小，限制了SO42-在水中的含量；b.在还原环境中，SO42-常被还原成H2S和S。来源：a.石膏(CaSO42H2O)或其它硫酸
10、盐沉积盐类溶解；b.天然S和金属硫化物的氧化，如：2S+3O2+2H2O4H+2SO42-煤系地层常含有很多黄铁矿，因此流经这类地层的地下水往往以SO42-为主，金属硫化物矿床附近的地下水也常含大量的SO42-；c.火山喷发H2S 气体氧化；d.人类活动燃烧煤产生大量SO2，SO2 氧化后形成之，大气中SO2 过高时，降“酸雨”，入渗补给地下水，使水中SO42-明显增加。3）HCO3 特点：地下水中HCO3的含量一般不超过数百毫克升，HCO3几乎总是低矿化水的主要阴离子成分。来源：a.含碳酸盐的沉积岩与变质岩(如大理岩)；CaCO3 和MgCO3 是难溶于水的，当水中有CO2 存在时，方有一定
11、数量溶解于水，水中HCO3的含量取决于与CO2 含量的平衡关系。b.岩浆岩与变质岩地区，主要来自铝硅酸盐矿物的风化溶解。4）Na+特点：Na+在低矿化水中的含量一般很低，仅数毫克升到数十毫克升，但在高矿化水中则是主要的阳离子，其含量最高可达数十克升。来源：a.来自沉积岩中岩盐及其它钠盐的溶解；b.来自海水；c.在岩浆岩和变质岩地区，来自含钠矿物的风化溶解。由于Na2CO3 的溶解度比较大，故当阳离子以Na+为主时，水中HCO3 的含量可超过与Ca2+伴生时的上限。5）K+来源：a.来自含钾盐类沉积岩的溶解；b.在岩浆岩和变质岩地区，来自含钾矿物的风化溶解（如钾长石）。特点：在低矿化水中含量甚微
12、，而在高矿化水中较多。地壳中钾的含量与钠相近，钾盐的溶解度也相当大。但是，在地下水中K+的含量要比Na+少得多。原因：a.K+大量地参与形成不溶于水的次生矿物(水云母、蒙脱石、绢云母)；b.易为植物所摄取。由于K+的性质与Na+相近，含量少，在分析过程中，一般将K+归并到Na+中，不另区分。6）Ca2+特点：钙是低矿化地下水中的主要阳离子，其含量一般不超过数百毫克升。在高矿化水中，由于阴离子主要是C1，而CaCl2 的溶解度相当大，故Ca2+的绝对含量显著增大，但通常仍远低于Na+。矿化度格外高的水，钙也可成为主要离子。来源：a.碳酸盐类沉积物及含石膏沉积物的溶解；b.岩浆岩、变质岩中含钙矿物
13、的风化溶解。7）Mg2+特点：Mg2+在低矿化水中含量通常较Ca2+少，通常不成为地下水中的主要离子，部分原因是由于地壳组成中Mg 比Ca 少。来源：a.含镁的碳酸盐类沉积（白云岩、泥灰岩）；b.来自岩浆岩、变质岩中含镁矿物的风化溶解。五、地下水中的其它成分 1.次要离子：H+、Fe2+、Fe3+、Mn2+、NH4+、OH、NO2、NO3、CO32、SiO3、PO43等。2.微量组分：Br、I、F、B、Sr、Ba等。其作用：1）说明地下水的形成环境；2）对人体健康有明显影响。3.未离解的化合物构成的胶体：如Fe(OH)3、A1(OH)3、H2SiO3等。上述难离解的化合物以胶体方式出现，在地下
14、水中含量可以大大提高。如SiO2常以胶体方式H2SiO3在低矿化水中占有不可忽视的比例。4.有机质：是以C、H、O为主的高分子化合物，经常以胶体方式存在于地下水中。有机质的存在，常使地下水酸度增加，并有利于还原作用。5.各种微生物：氧化环境中存在硫细菌、铁细菌等；还原环境中存在脱硫酸细菌等；在污染水中，还有各种致病细菌。其作用：1）指示地下水环境；2）对地下水化学成分的形成与变化起着很大作用；3）污染水中各种致病细菌影响人类健康。6.构成水的氢、氧同位素及碳同位素：1H、2H、3H；16O、17O、18O；12C、13C、14C。作用：判断地下水年龄；地下水成因与形成。六、地下水的矿化度、酸碱
15、度及硬度 1.矿化度 1）概念：存在于地下水中的离子、分子及化合物的总含量。以g/l表示。它表示水中含盐量的多少，即水的矿化程度。包括所有呈溶解状态及胶体状态的成分，但不包括游离状态的气体成分。2）矿化度的求得 a.水样蒸干法：在105 -110 下将水样蒸干得到的干涸残余物含量。b.理论计算法：将水样分析得到的全部离子、分子及化合物含量相加。注意：由于蒸干时得到的HCO3含量只大约相当于实际含量一半，因此，利用分析结果计算矿化度时，HCO3只应计算其含量的一半。3）根据矿化度进行的地下水分类地下水按矿化度的分类 2.酸碱度 1）概念：表示地下水的酸碱程度，用H+浓度或pH值衡量。2）酸碱度表
16、示方法：通常用pH值表示，即水中H+浓度的负对数值。pH=lgH+3）根据酸碱度进行的地下水分类地下水按酸碱度的分类3.硬度 1）概念：指水中Ca2+、Mg2+含量的多少。2）硬度区分：a.总硬度：水中所含Ca2+、Mg2+的总量；b.暂时硬度：水加热沸腾时，形成碳酸钙沉淀使水中失去一部分Ca2+、Mg2+。这失去的一部分Ca2+、Mg2+含量即为暂时硬度。c.永久硬度：水沸腾后仍留在水中的Ca2+、Mg2+含量。它等于总硬度与暂时硬度之差。3）硬度表示方法：a.毫克当量（meq）表示法：用水分析结果中Ca2+、Mg2+的meq总和表示水的硬度。Meq=离子毫克含量/离子当量 b.德国度（H0
17、）表示法：一个H0相当于1升水中含有10mgCaO或7.2mg MgO 由于28mgCaO相当于1meq，所以，1meq硬度相当于2.8 H0 4）根据硬度进行的地下水分类地下水按硬度的分类七、地下水化学成分表示式 为了简明地反映水的化学特点，地下水化学成分表示式一般采用库尔洛夫式表示。1.将阴阳离子分别标示在横线上下，2.按毫克当量百分数（meq）自大而小顺序排列，小于10的离子不予表示。某阴（阳）离子（meq）=某阴（阳）离子的meq/l/所有阴（阳）离子meq/l总数100 3.横线前依次表示气体成分、特殊成分及矿化度（以字母M 为代号），三者单位均为g/L，4.横线后以字母t 为代号表
18、示以摄氏计的水温。如：62 地下水的物理性质 在水文地质调查中，要查明的地下水物理性质一般为：温度、透明度、颜色、嗅、味及放射性。一、温度 1.地下水温度变化影响因素 1）气温：热能来源于太阳的辐射；2）地温：热能来自地球内部的热流。2.地壳根据热力状态进行的分带：自上而下分为：1）变温带：受太阳辐射影响的地表极薄的带。由于太阳辐射能的周期变化，本带呈现地温的昼夜变化和季节变化。地温的昼夜变化只影响地表以下12m 深。变温带的下限深度一般为15-30m。此深度上地温年变化小于0.1。随深度增加，变化幅度逐渐减少。2）年常温带：变化幅度趋于零的深度，最大深度30-40m。在气温变化较小的海洋性气
19、候地区，该带深度较小，可为10m左右。地温一般比当地年平均气温高出12。在粗略计算时，可将当地的多年平均气温作为常温带地温。3）增温带：受地球内热影响，随深度加大而有规律地升高地带。a.地热增温率（地温梯度）：每增加单位深度时地温的增值，以/100m 为单位。b.地热增温级：温度每升高1所需增加的深度。以m/为单位。c.多数地区平均地热增温级为33 m/，平均地温梯度为3100m。不同地区由于岩石的导热性、地壳运动和水文地质条件不同，地热增温级有所变化。我国部分地区的地热增温级3.地下水温度 地下水温度受其赋存与循环所处地区的地温控制。1）处于变温带中的浅埋地下水显示微小的水温季节变化。变温带
20、上部（1-2 m）还有昼夜变化。但变化幅度较气温小，并滞后于气温变化时间。2）常温带的地下水水温和地温相同，与当地年平均气温很接近。这两带的地下水，常给人以“冬暖夏凉”的感觉。3）增温带的地下水随其赋存与循环深度的加大而提高，成为热水甚至蒸汽。如西藏羊八井的地温梯度为300100m，其钻孔获得温度为160的热水与蒸汽。4）增温带地下水温度计算 T=t+(H h)r T-地表下深度为H处的地下水温度（）；t-所在地区的年平均气温（）；H-地下水所处的深度（m）；h-年常温带深度（m）；r-所在地区的地热增温级（m/）。利用上式可计算出某一给定深度的地下水温度，或某一温度下的地下水埋藏循环深度。5
21、）根据温度进行的地下水分类地下水按温度的分类二、透明度 地下水透明度取决于水中固体矿物质、有机物和胶体悬浮物的含量。按透明度可将地下水分为以下四级：地下水按透明度的野外分级三、颜色 由地下水的成分和悬浮于其中的杂质所决定。一般无色，但含悬浮物质和地下水成分不同颜色不同。如：硬度大的水为浅蓝色；含氧化亚铁和硫化氢的水呈浅蓝绿色；含氧化铁的水呈褐红色；含腐殖质较多的水多呈暗黄褐色。含悬浮物较多的水颜色取决于悬浮物颜色，颜色深浅则决定于悬浮物数量的多少。四、嗅（气味）水含有硫化氢时具臭鸡蛋味；含有氧化亚铁时具铁腥味；含腐殖质会使水具鱼腥味等。测定气味时应加热，在40 时气味最显著。五、味 地下水的味
22、道取决于它的化学成分。纯水淡而无味，含氯化钠咸味，含硫酸钠涩味，含硫酸镁或氯化镁具苦味，含有氧化亚铁的水具“墨水味”，氧化铁使水具有铁锈味等。测定时应将水加温至20-30，这时水的味道最明显。六、放射性 地下水放射性取决于其中所含放射性元素的数量。埋藏和运动于放射性矿床以及酸性火山岩分布区的地下水，其放射性显著增强。63 地下水化学成分的形成作用 如上所述，地下水化学成分是很复杂的，各种地下水化学成分的形成与地下水起源及其以后的活动过程有关。一、地下水原始化学成分特点 地下水有着多种不同的起源，其原始成分各有特点，具体如下：1.大气降水渗入：由大气降水渗入形成的地下水为低矿化水，富含O2、N2
23、和CO2；2.古海水埋藏于沉积物中起源的地下水，具有海水特征，矿化度很高，主要成分Na+、C1，并含有较多的Br、I、B等微量元素。3.地壳深处岩浆岩体分离出的气水溶液起源的地下水（初生水），其化学成分富集B、F等微量元素，并富含CO2、H2及H2S等气体。二、地下水化学成分的形成作用 1.概念：各种起源的地下水，在其发展过程中，在自然及人为因素影响下，会发生一系列的作用，结果使地下水有了新的化学成分或使原有成分不断的发生变化。这些作用称为地下水化学成分的形成作用。2.地下水化学成分的形成作用类型1）溶滤作用 概念：在水与岩土相互作用下，岩土中一部分可溶物质被溶解转入地下水中的作用。结果：岩土
24、失去一部分可溶物质，地下水则补充了新的组分。水溶解可溶物质过程：水是偶极分子，氧离子一端形成负极，氢离子一端形成正极。岩土与水接触时，组成结晶格架的盐类离子，被水分子带相反电荷的一端所吸引；当水分子对离子的引力足以克服结晶格架中离子间的引力时，离子脱离晶架，被水分子所包围，溶入水中。水分子结构示意图 水溶解盐类过程示意图 左侧表示水的极化分子吸引结晶格架中的 离子，右侧表示结晶格架破坏。离子溶入水中溶滤作用形成的化学成分与地下水流经的岩土成分有关 a.岩盐区：地下水具有Na+、C1 成分；b.石膏区：地下水具有Ca2+、SO42-成分；c.碳酸岩区：地下水具有Ca2+、Mg2+、HCO3成分。
25、溶滤作用强度影响因素 a.与岩土中盐类矿物的溶解度有关；盐类矿物的溶解度大，溶滤作用强；b.与地下水温度有关；一般情况下，温度上升，盐类溶解度也增大，溶滤作用加强。但也有例外，如Na2 SO4 10H2 O，温度高，矿物结晶格架中水分子逸出，使离子间引力加大，溶解度降低。CaCO3 及MgCO3 的溶解度也随温度上升而降低（与脱碳酸作用有关）。盐类溶解与温度的关系 c.与岩土的空隙性质有关；缺乏裂隙的致密基岩，水难以与矿物盐类接触，溶滤作用无从发生。d.水的溶解能力决定着溶滤作用的强度；水对某种盐类的溶解能力随该盐类浓度增加而减弱。某一盐类的浓度达到其溶解度时，水对此盐类便失去溶解能力。因此，
26、低矿化水溶解能力强而高矿化水弱。e.与水中CO2、O2 等气体成分的含量有关 水中CO2、O2决定着某些盐类的溶解能力。水中CO2 含量愈高，溶解碳酸盐及硅酸盐的能力愈强。O2 的含量愈高，水溶解硫化物的能力愈强。f.与水的流动状况有关 水的流动状况是影响其溶解能力的一个关键因素。地下水流动迅速时，矿化度低的、含有大量CO2 和O2 的大气降水和地表水，不断入渗更新含水层中原有的溶解能力降低了的水，地下水便经常保持强的溶解能力，溶滤作用便持续地强烈发育。由此可知，地下水的径流与交替强度是决定溶滤作用强度的最活跃最关键的因素。溶滤作用在时间上的阶段性 溶滤作用是一种与一定的自然地理与地质 环境相
27、联系的历史过程。经受构造变动与剥蚀作用的岩层，接受来自大气圈及地表水圈的入 渗水补给而开始其溶滤过程。原含有包括氯化物、硫酸盐、碳酸盐及硅酸盐等各种矿物盐类岩层的阶段：a.开始阶段，氯化物最易于由岩层转入水中，而成为地下水中主要化学组分；b.随着溶滤作用延续，岩层含有的氯化物由于不断转入水中并被水流带走而贫化，相对易溶的 硫酸盐成为迁入水中的主要组分；c.溶滤作用长期持续，岩层中保留下来的几乎只是难溶的碳 酸盐及硅酸盐，地下水的化学成分当然也就以碳酸盐及硅酸盐为主了。因此，一个地区经受溶滤愈强烈，时间愈长久，地下水的矿化度愈 低，愈是以难溶离子为其主要成分。溶滤作用在空间上的差异性 气候愈是潮
28、湿多雨，地质构造的开启性愈好，岩层的导水能力愈强，地形切割愈强烈，地下径流与水交替愈迅速，岩层经受的溶滤便愈充分，保留的易溶盐类便愈贫乏，地下水的矿化度愈低，难溶离子的相对含量也就愈高。2）浓缩作用 概念：干旱半干旱地区的平原与盆地中，地下水位埋藏不深，不断蒸发，地下水溶液逐渐浓缩，地下水中矿化度不断增大的作用。结果：a.地下水中矿化度不断增高；b.溶解度较小的盐类在水中相继达到饱和而沉淀析出；c.易溶盐类离子逐渐成为水中主要成分；d.使地下水矿化度和化学类型都将发生变化。如某一低矿化地下水，HCO3为主，其次是SO42-，C1含量很小。阳离子以Ca2+、Mg2+为主。随着蒸发浓缩，溶解度小的
29、钙、镁的重碳酸盐部分析出，SO42-及Na+逐渐成为主要成分。继续浓缩，水中硫酸盐达到饱和并开始析出，便将形成以C1、Na+为主的高矿化水。产生浓缩作用的条件：a.干旱或半干旱的气候；b.低平地势控制下较浅的地下水位埋深；c.有利于毛细作用的颗粒细小的松散岩土；d.必备条件是地下水流动系统的势汇排泄处。干旱气候下浓缩作用的规模从根本上说取决于地下水流动系统的空间尺度以及其持续的时间尺度。当上述条件都具备时，浓缩作用十分强烈，有的情况下可以形成矿化度大于300gL的地下咸水。3）脱碳酸作用概念：水中CO2 的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 从水中逸出的作用。结果
30、：地下水中HCO3-及Ca2+、Mg2+减少，矿化度降低。深部地下水上升成泉，泉口往往形成钙华，这是脱碳酸作用的结果。温度较高的深层地下水，由于脱碳酸作用使Ca2+、Mg2+从水中析出，阳离子通常以Na+为主。4）脱硫酸作用概念：在还原环境中有机质的存在，脱硫酸细菌能使SO42-还原为H2S的作用。结果：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。因此，某些油田水中出现H2S，而SO42-含量很低。这一特征可以作为寻找油田的辅助标志。5）阳离子交替吸附作用概念：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
31、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的作用。改变了地下水的化学成分。阳离子交替吸附作用影响因素 a.与阳离子吸附于岩土表面的能力有关。按吸附能力大小分：除H+外，离子价愈高，离子半径愈大，吸附能力愈大。如：当含Ca2+为主的地下水，进入主要吸附有Na+的岩土时，水中的 Ca2+便置换岩土所吸附的一部分Na+，使地下水中Na+增多而Ca2+减少。b.与离子浓度有关 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。例如，当地下水中以Na+为主，而岩土中原来吸附有较多的Ca2+，则 水中的Na+将反过来置换岩土吸附的部分Ca2+。海水侵入陆相沉积物时，出现上
32、述情况。c.阳离子交替吸附作用的规模取决于岩土的吸附能力，它决定于岩土的比表面积。颗粒愈细，比表面积愈大，交替吸附作用的规模也就愈大。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，实际上不发生这种作用。6）混合作用概念：成分不同的两种水汇合在一起，形成化学成分与原来两者都不相同的地下水的作用。混合作用的发生原因：a.海滨、湖畔或河边，地表水混入地下水中；b.深层地下水补给浅部含水层时，发生两种地下水的混合。结果：a.发生化学反应而形成化学类型完全不同的地下水；如：SO42-、Na+为主的地下水，与HCO3-、Ca2+为主的水混合时：b.两种水的混合不产生明显的化学反应，混合水
33、的矿化度与化学类 型取决于参与混合的两种水的成分及其混合比例。如：高矿化的氯化钠型海水混入低矿化的重碳酸钙镁型地下水中，基本上不产生化学反应。7）人类活动在地下水化学成分形成中的作用人类生活与生产活动产生的废弃物污染地下水，使化学成分改变；工业生产的废气、废水与废渣以及农业上大量使用化肥农药，使天然地下水富集了原来含量很低的有害元素，如酚、氰、汞、砷、铬、亚硝酸等。人为作用大规模地改变了地下水形成条件，从而使地下水化学成分发生变化。a.有利的一面：兴修水库、合理修筑灌溉渠道，使地下水获得淡水补充而水质变好；原来分布地下咸水的地区，通过挖渠打井，降低地下水位，使原来主要排泄去路由蒸发改为径流排泄
34、，从而逐步使地下水水质淡化；修筑引水明渠引来区外淡的地表水，以合理的方式补给地下水，也可使地下水变淡。b.不利的一面：滨海地区过量开采地下水引起海水入侵；不合理的打井采水使咸水运移，使良好水质的淡含水层变咸；干旱半干旱地区不合理地引入地表水灌溉，会使浅层地下水位上 升，引起大面积次生盐渍化，并使浅层地下水变咸。人类干预自然的能力正在迅速增强，因此，防止人类活动对地下水水质的不利影响，采用人为措施使地下水水质向有利方向演变，愈来愈重要了。64 地下水化学成分的基本成因类型 根据形成地下水化学成分的基本作用，可将地下水分为三个主要成因类型：溶滤水、沉积水和内生水。一、溶滤水 1.概念：富含CO2
35、与O2 的渗入成因的地下水，溶滤它所流经的岩土而获得其主要化学成分，这种水称之为溶滤水。2.分布及化学组分 1）分布：主要在地壳浅表。2）组分：a.原有组分：来自大气降水和地表水入渗，已具有一定化学成分。大气降水：矿化度数十毫克/升的重碳酸型水，饱含CO2、O2、N2及其惰性气体；地表水：矿化度100-200毫克/升的重碳酸型水，含大气起源的气体。b.溶滤它所流经的岩土而获得的主要化学成分。3.溶滤水成分形成影响因素 1）岩性：对溶滤水成分形成影响显著。石灰岩、白云岩分布区的地下水，HCO3-、Ca2+、Mg2+为其主要成分；含石膏的沉积岩区，水中SO42-与Ca2+均较多；酸性岩浆岩地区的地
36、下水，大都为HCO3-Na+型水；基性岩浆岩地区，地下水中常富含Mg2+；煤系地层分布区与金属矿床分布区多形成硫酸盐水。2）气候 a.潮湿气候区：含有大量易溶盐类与难溶组分的沉积物，在丰沛降水的充分淋滤下，最终浅层地下水很可能都是低矿化重碳酸水，难溶的SiO2 在水中占到相当比重。b.干旱气候下平原盆地的排泄区，由于地下水将盐类不断携来，水分不断蒸发，浅部地下水中盐分不断积累，不论其岩性有何差异，最终都将形成高矿化的氯化物水。3）地形 a.切割强烈的山区：地下水径流条件好，流动、水交替迅速，即使在干旱地区也不会发生浓缩作用，因此常形成低矿化的以难溶离子为主地下水。b.地势低平的平原与盆地：地下
37、水径流微弱，水交替缓慢，地下水的矿化度及含易溶离子均较高。4.溶滤水化学类型的分带性 1）水平分带：潜水基本属于溶滤水，在气候、岩性、地形影响下，其化学类型常沿地下水径流方向显出水平分带性。特别是干旱地区的山间堆积盆地，分带性表现得最为完整典型。山前地区气候相对湿润，颗粒比较粗大，地形坡度也大；向盆地中心，气候转为十分干旱，颗粒细小，地势低平。因此，从盆地边缘洪积扇顶部的低矿化重碳酸盐水带，到过渡地带的中等矿化硫酸盐水，盆地中心则是高矿化的氯化物水。如：新疆吐鲁番盆地最为典型，三带明显；而半干旱的华北平原潜水，则往往缺乏中间硫酸盐水带，出现过度性重碳酸盐-氯化物水带或氯化物-重碳酸盐水带。2）
38、垂向分带 大部分承压水也属于溶滤水，它们多显示在垂向上的化学类型分带，自上而下，由低矿化的重碳酸盐水，到高矿化的氯化物水。位置较浅或构造开启性好的含水系统，由于其径流途径短，流动相对较快，溶滤作用发育，多形成低矿化的重碳酸盐水；构造较为封闭的，位置较深的含水系统，则形成矿化度较高，易溶离子为主的地下水。二、沉积水 1.概念：与沉积物大体同时生成的古地下水，其化学成分在一定程度上反映古沉积盆地水的化学特征。2.沉积水化学成分：河、湖、海相的沉积物中的水具有不同的原始成分，在漫长的地质年代中水质又经历一系列复杂的变化。其中以海相淤泥中的沉积水研究的较详细。3.海相淤泥沉积物特点：1）孔隙度、含水量
39、和比表面积都相当大；2）富含有机质和微生物；3）缺氧，有利于各种生物化学和物理化学作用的进行。4.海水与海相淤泥沉积水的化学成分比较：1）海水：平均化学成分是矿化度35g/L 的氯化钠水。rNa/rCl=0.85 Cl/Br=29.3 2）海相淤泥沉积水 a.矿化度很高，最高可达300g/L；b.硫酸根离子减少乃至消失；c.钙的相对含量增大，钠相对含量减少（rNa/rCl0.85）；d.富集溴、碘，碘的含量升高尤为显著，Cl/Br变小；e.出现硫化氢、甲烷、铵、氮；f.pH 值增高。5.海相淤泥沉积水化学成分特征形成原因：a.矿化度增大是海水在泻湖中蒸发浓缩所致；b.硫酸根离子减少，出现H2S
40、，水中HCO3-增加，水的pH值提高是脱硫酸作用作用的结果；c.水中Ca2+与Mg2+减少是由于HCO3-增加与pH 值提高，使一部分Ca2+、Mg2+与HCO3-作用生成CaCO3 与MgCO3沉淀析出导致；d.沉积后期的阳离子交替吸附作用，使淤泥吸附的部分Ca2+转入水中，水中部分Na+被淤泥吸附，导致钙的相对含量增大，钠相对含量减少；e.甲烷、铵、氮等是细胞与蛋白质分解以及脱硝酸作用的产物；f.溴与碘的增加是生物富集并在其遗骸分解时进入水中所致。三、内生水 1.概念：产自地球深部圈层当中的高温水。2.成因：a.岩浆分异产生；b.大气降水渗入到深部加热后重新升到地表形成的；c.变质作用产生
41、。现在认为 1030的内生水来自地球深部层圈的高热流体的加入产生的。3.内生水的典型化学特征 目前研究还没有定论，只是从一些来自深部圈层的热液中加以了解。如：前苏联某些花岗岩中包裹体溶液为矿化度100200g/L 的氯化钠型水，属于高矿化水；而冰岛玄武岩区的热蒸汽凝成的水，是矿化度12g/L的HS-HCO3-Na+型水，含有大量SiO2 与CO2。内生水的研究迄今还很不成熟，但由于它涉及水文地质学乃至地质学的一系列重大理论问题，因此，今后水文地质学的研究领域将向地球深部层圈扩展，更加重视内生水的研究。66 地下水化学成分的分析内容与分类图示一、地下水化学成分分析内容 1.简分析 1）目的：用于
42、了解区域地下水化学成分的概貌。可在野外利用专门的水质分析箱就地进行。2）特点：项目少，精度要求低，简便快速，成本不高，技术上容易掌握。3）分析项目：a.物理性质；b.定量分析：HCO3、SO42、C1、Ca2+、总硬度、pH 值；c.计算得出水中各主要离子含量及总矿化度；d.经常定性分析项目：NO、NO、NH4+、Fe2+、Fe3+、H2S、耗氧量等。2.全分析 1）目的和特点：在简分析的基础上选择有代表性的水样进行全分析，以较全面地了解地下水化学成分，并对简分析结果进行检核。项目较 多，要求精度高。2）分析项目：a.定量分析：C1、SO42-、HCO3、Na+、K+、Ca2+、Mg2+、CO
43、32NO、NO、NH4+、Fe2+、Fe3+、H2S、CO2、耗氧量、pH值及干涸残余物等；b.对有关的地表水体取样分析；c.大气降水的化学成分也要适当考虑。3.专项分析 为特殊目的进行的水质分析。一般依具体任务只分析一个或少数几个成分。如油田钻进要知道是否遇到新含水层，需测定C1，地下水动态观测时，选择有代表性的成分定期进行专项分析。二、地下水分析资料整理 1.分析结果通常用毫克/升作单位；2.资料整理要求：1）用meq/l和meq来表示水分析结果；2）计算分析误差，用百分数表示；3）计算水的各种硬度；4）写出库尔洛夫式，并按表示式确定水的类型。3.具体实例说明：1）某水样化学分析结果：水温
44、:41.5成分Mg/l合计meq/l合计meqNa+K+39.55716.261.7239.024.41Ca2+557.4927.8271.30Mg2+115.229.4824.29C129.261854.660.8338.052.18SO42-1648.5034.3290.20HCO3176.902.907.62110时干涸物2700游离CO217.80H2S1.482）对上述水样分析资料整理：a.换算毫克/升为毫克当量/升及毫克当量百分数 根据化学原理，毫克数与毫克当量数的关系如下式：例如：Ca2+为557.49，换算为毫克当量/升为：557.49/20.04=27.82Meq/l 其它同
45、上，具体换算数值见前表。b.根据下式计算其毫克当量百分数：例如：水中C1为0.83 meq/l，其毫克当量百分数为0.83/38.05 100=2.18 其它同上，具体换算数值见前表。c.计算分析误差：分析误差用下式计算：式中：k：阳离子总含量，meq/l；a：阴离子总含量，meq/l。将上表中数据代入上式，得：根据要求，全分析允许误差2，简分析5。上述分析误差2，分析结果所得资料可用。d.计算水的硬度：总硬度：H=Ca2+Mg2+=27.82+9.48=37.30 meq/l。以德国度表示，则总硬度为：H=37.302.8=104.44H0。暂时硬度：需考虑Ca2+和Mg2+的毫克当量总数与
46、HCO3毫克当量之间的两种可能关系：Ca2+和Mg2+的毫克当量之和 HCO3毫克当量，暂时硬度=总硬度；Ca2+和Mg2+的毫克当量之和 HCO3毫克当量，暂时硬度=HCO3（毫克当量）本水样分析结果属于第二种关系，因此，暂时硬度=2.90 meq/l或8.12 H0。永久硬度：总硬度-暂时硬度，即：37.30-2.90=34.40 meq/l或96.32 H0。该水样按硬度分类，属于极硬水。e.用库尔洛夫式表示水分析结果，并根据表示库尔洛夫式确定水的类型。本实例的库尔洛夫表示式为：注意：根据库尔洛夫式确定水的类型时，只考虑毫克当量超过25 的离子，如果不只一种离子超过25，则命名时将含量小
47、的离子名称放在前面。本实例水的类型为：硫酸钙型水。前例水的类型为：氯化钙钠型水。三、地下水化学分类与图示 地下水化学分类的要求是要能够把相同成因和相同化学特点的水归纳到一起，以便于研究地下水各方面规律。目前，已提出了多种分类方法，在此仅介绍一种简单易懂，应用比较普遍的分类方法，特别是在我国广泛应用的方法舒卡列夫分类：舒卡列夫的分类是根据地下水中六种主要离子（K+合并于Na+中）及矿化度划分的。1.含量大于25毫克当量的阴离子和阳离子进行组合，共分成49 型，每型以一个阿拉伯数字作为代号。2.水按矿化度又划分为4 组：A 组矿化度小于1.5g/L；B 组1.510g/L；C 组1040g/L；D
48、 组大于40g/L。舒卡列夫分类图表 从上表中可以将不同化学成分的水用一个简单的符号代替，并赋以一定的成因特征。例如，1A 型即矿化度小于1.5g/L 的HCO3Ca 型水，是沉积岩地区典型的溶滤水；49D 型是矿化度大于40g/L 的ClNa 型水，可能是与海水及海相沉积有关的地下水，或者是大陆盐化潜水。66 地下水的水质评价一、饮用水的水质评价 1.基本要求：1）水中无传染疾病的微生物及病源菌；2）水的化学成分对人身体无害；3）有可口味道，无不良气味及其它感觉。2.水质评价根据：1）物理性质：无色、无特殊气味、透明、可口，水温为712。2）化学成分：a.某些化学成分的浓度不能超标；b.某些
49、组分本身无害，但它们是污染标志，说明水中可能有致病物质存在，因此要控制其数量。如：亚硝酸、磷酸等；c.水中不应含有毒物，或在数量上加以控制。如：铜、铅、汞、铬、镉等。3）细菌指标：以细菌总量和大肠杆菌的数量作为评价标准。其中大肠杆菌本身无害，但常与传染病菌共同存在，因此，它是水是否被污染和污染程度的标志。饮用水水质的具体评价以国家和地方规定的水质标准作为依据，其标准也在不断变化，更新。二、水的侵蚀性评价 工程上需要对地下水的侵蚀性进行评价。地下水的侵蚀作用，主要反映在它对地下水面以下的混凝土和金属材料及设备的破坏上。1.地下水对混凝土的侵蚀作用 主要是地下水中具有侵蚀性的CO2和硫酸盐对混凝土
50、的侵蚀。1）CO2侵蚀表现为碳酸盐的溶解和溶滤。水中含一定数量的侵蚀CO2，则上述反应向右进行，混凝土遭到破坏。2）硫酸盐侵蚀：硫酸盐侵蚀又称为结晶性侵蚀，即水中过量的SO42-渗入混凝土体内，产生过度产物石膏及新的化合物硫铝酸盐（结瓦尔盐），其反应式为：4CaOAl2O312H2O+3CaSO4nH2O3CaOAl2O33CaSO4nH2O+Ca（OH）2 石膏 结瓦尔盐 结瓦尔盐的体积比反应前的混凝土体积增大2.5倍，因而使水泥结构疏松或破坏。当水中C1含量1000mg/l，SO42-250mg/l时，对混凝土就开始具有侵蚀性。2.地下水对铁的腐蚀作用 酸性水中含H+浓度较高，由于氢置换铁