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1、水文地球化学基础水文地球化学基础 主讲：苏春利中国地质大学（武汉）环境学院第四讲第四讲 地下水化学成分的形成与特征地下水化学成分的形成与特征地下水基本成因类型地下水基本成因类型l按照按照地下水的形成起源地下水的形成起源可分为：可分为：l溶滤溶滤-渗入水渗入水l沉积沉积-埋藏水埋藏水同期沉积水同期沉积水非同期沉积水非同期沉积水含有一定比例的其他成因水含有一定比例的其他成因水l内生水内生水l溶滤溶滤-渗入水渗入水溶滤溶滤-渗入水为大气起源，溶滤作用对地渗入水为大气起源，溶滤作用对地下水化学成分的形成起重要作用。下水化学成分的形成起重要作用。l沉积沉积-埋藏水埋藏水也称为封存水，埋藏于地质构造比较封
2、闭也称为封存水，埋藏于地质构造比较封闭的地下环境中，其成分可在一定程度上反的地下环境中，其成分可在一定程度上反映形成沉积物时盆地的特点。映形成沉积物时盆地的特点。在沉积在沉积-埋藏水的形成过程中，一般经历埋藏水的形成过程中，一般经历以下的演化阶段，下面以海相地层为例说以下的演化阶段，下面以海相地层为例说明。明。以上演化过程在不同的地质历史时期可能以上演化过程在不同的地质历史时期可能会循环往复许多次。由此可见，沉积会循环往复许多次。由此可见，沉积-埋埋藏水的形成过程及其水化学成分是非常复藏水的形成过程及其水化学成分是非常复杂的。杂的。l挤压阶段：挤压阶段：淤泥、粘土中的沉淤泥、粘土中的沉积水受挤
3、压进入含水层积水受挤压进入含水层l渗入阶段：渗入阶段：沉积物出露地表，沉积物出露地表，大气水或地表水入渗，并驱替沉大气水或地表水入渗，并驱替沉积水，发生水交替作用积水，发生水交替作用l下一个挤压阶段：下一个挤压阶段：形成新的淤形成新的淤泥、粘土；含水层中的水由中心泥、粘土；含水层中的水由中心向盆地两侧运移向盆地两侧运移地下水基本成因类型地下水基本成因类型地下水基本成因类型地下水基本成因类型l内生水内生水1902年年捷克鸩斯捷克鸩斯提出提出“初生水初生水”，即岩浆分异出来的水（，即岩浆分异出来的水（岩浆水岩浆水），），认为该水首次流出地表，继而参与水圈总循环。认为该水首次流出地表，继而参与水圈总
4、循环。1940年年苏联奥弗琴尼柯夫苏联奥弗琴尼柯夫认为岩浆中确有水存在，并可使地下水圈认为岩浆中确有水存在，并可使地下水圈的水在地壳发展过程中稍有增加，但不能认为地下水的储量是岩浆的水在地壳发展过程中稍有增加，但不能认为地下水的储量是岩浆活动造成的；他将高温条件下矿物及岩石中结合态转变为游离态、活动造成的；他将高温条件下矿物及岩石中结合态转变为游离态、并转入现代水圈的水称为并转入现代水圈的水称为“再生水再生水”。1975年年加弗里连科加弗里连科，在承认初生水基础上，提出，在承认初生水基础上，提出“深成水深成水”，包括，包括沿深大断裂向地壳层和地表运移的，积极参与区域变质作用、接触沿深大断裂向地
5、壳层和地表运移的，积极参与区域变质作用、接触交代作用和花岗岩化作用的大量交代作用和花岗岩化作用的大量初生水初生水，以及以上作用终止后从岩，以及以上作用终止后从岩石中脱出的石中脱出的再生水再生水。这部分水仅当存在适当通道时，才溢出地表。这部分水仅当存在适当通道时，才溢出地表。地下水基本成因类型地下水基本成因类型 渗入成因的（溶滤渗入成因的（溶滤-渗入水）渗入水）外生的外生的 沉积成因的（沉积沉积成因的（沉积-埋藏水）埋藏水）地下水地下水 变质成因的（变质水、再生水）变质成因的（变质水、再生水）内生的内生的 岩浆成因的（初生水、岩浆水）岩浆成因的（初生水、岩浆水）混混合合渗入成因地下水渗入成因地下
6、水渗入成因渗入成因地下水成分的形成过程地下水成分的形成过程l渗入成因地下水的形成经历了：渗入成因地下水的形成经历了：大气降水阶段大气降水阶段大气降水阶段大气降水阶段 植物植物植物植物-土壤影响阶段土壤影响阶段土壤影响阶段土壤影响阶段 水水水水-岩相互作用阶段岩相互作用阶段岩相互作用阶段岩相互作用阶段 蒸发浓缩阶段蒸发浓缩阶段蒸发浓缩阶段蒸发浓缩阶段一、大气降水阶段一、大气降水阶段l l大气降雨的一般成分特征大气降雨的一般成分特征大气降雨的一般成分特征大气降雨的一般成分特征 气体气体气体气体l可溶性气体（可溶性气体（O2,CO2,N2等）及惰性气体等）及惰性气体 侵蚀性侵蚀性侵蚀性侵蚀性lCO2
7、溶于水后，形成碳酸，降低了雨水的溶于水后，形成碳酸，降低了雨水的pH值，提高了它的侵蚀性值，提高了它的侵蚀性 弱酸弱酸弱酸弱酸-中性，未饱和，矿化度低中性，未饱和，矿化度低中性，未饱和，矿化度低中性，未饱和，矿化度低强的溶解能力强的溶解能力强的溶解能力强的溶解能力 人类活动促使大气降水聚集各类金属、有机化合物及各种盐类，人类活动促使大气降水聚集各类金属、有机化合物及各种盐类，人类活动促使大气降水聚集各类金属、有机化合物及各种盐类，人类活动促使大气降水聚集各类金属、有机化合物及各种盐类，改变了雨水的矿化度、成分、氧化改变了雨水的矿化度、成分、氧化改变了雨水的矿化度、成分、氧化改变了雨水的矿化度、
8、成分、氧化-还原性质、侵蚀性等。还原性质、侵蚀性等。还原性质、侵蚀性等。还原性质、侵蚀性等。（例如酸雨（例如酸雨（例如酸雨（例如酸雨pH5.65pH5.65）一、大气降水阶段一、大气降水阶段l l不同地区的大气降雨成分不同不同地区的大气降雨成分不同不同地区的大气降雨成分不同不同地区的大气降雨成分不同 近海地区：近海地区：近海地区：近海地区：l受风卷送的海水飞沫等影响，其受风卷送的海水飞沫等影响，其Na，Cl，Br，I 等含量相等含量相对增高，在海边的雨水的矿化度可超过对增高，在海边的雨水的矿化度可超过0.1g/l。内陆湿润地区内陆湿润地区内陆湿润地区内陆湿润地区：l雨水是无色、无味的，所含离子
9、主要为雨水是无色、无味的，所含离子主要为Ca2+和和HCO3-，矿矿化度一般为化度一般为0.0n克克/升。升。内陆干旱地区内陆干旱地区内陆干旱地区内陆干旱地区：l雨水中杂质比较多，矿化度可达雨水中杂质比较多，矿化度可达0.n克克/升。升。二、植物二、植物-土壤影响阶段土壤影响阶段l l植物植物 雨水流经植物根部时，经常会富集一些植物中的生雨水流经植物根部时，经常会富集一些植物中的生雨水流经植物根部时，经常会富集一些植物中的生雨水流经植物根部时，经常会富集一些植物中的生物成因元素物成因元素物成因元素物成因元素l1955年瑞典年瑞典Gorham 作了一个比较研究，在松柏针叶树树根下作了一个比较研究
10、，在松柏针叶树树根下采的雨水样与当地空中采的雨水样相比，发现，经过植物的雨采的雨水样与当地空中采的雨水样相比，发现，经过植物的雨水的钠和钙含量高出水的钠和钙含量高出3倍，钾则高出倍，钾则高出17倍。倍。二、植物二、植物-土壤影响阶段土壤影响阶段l l土壤是一个消耗水中土壤是一个消耗水中土壤是一个消耗水中土壤是一个消耗水中DODO的的的的“酸性泵酸性泵酸性泵酸性泵”土壤中存在大量碳酸，来源于土壤中存在大量碳酸，来源于土壤中存在大量碳酸，来源于土壤中存在大量碳酸，来源于l l大气中的大气中的大气中的大气中的COCO2 2l l光合作用光合作用光合作用光合作用土壤中的有机物土壤中的有机物土壤中的有机
11、物土壤中的有机物COCO2 2、NH3NH3等强反应物等强反应物等强反应物等强反应物l l根系植物的呼吸作用根系植物的呼吸作用根系植物的呼吸作用根系植物的呼吸作用l l嫌氧条件下硫酸盐、硝酸盐可被有机物还原，产生嫌氧条件下硫酸盐、硝酸盐可被有机物还原，产生嫌氧条件下硫酸盐、硝酸盐可被有机物还原，产生嫌氧条件下硫酸盐、硝酸盐可被有机物还原，产生COCO2 2 土壤的生物化学作用产生许多有机酸，如富里酸、腐殖酸土壤的生物化学作用产生许多有机酸，如富里酸、腐殖酸土壤的生物化学作用产生许多有机酸，如富里酸、腐殖酸土壤的生物化学作用产生许多有机酸，如富里酸、腐殖酸 DODO与黄铁矿、锰结核等土壤中的矿物
12、相反应也是酸性物质的来与黄铁矿、锰结核等土壤中的矿物相反应也是酸性物质的来与黄铁矿、锰结核等土壤中的矿物相反应也是酸性物质的来与黄铁矿、锰结核等土壤中的矿物相反应也是酸性物质的来源之一源之一源之一源之一二、植物二、植物-土壤影响阶段土壤影响阶段l l土壤的氧化还原条件改变金属元素的价态土壤的氧化还原条件改变金属元素的价态土壤的氧化还原条件改变金属元素的价态土壤的氧化还原条件改变金属元素的价态 氧化条件下氧化条件下氧化条件下氧化条件下l lAsAs、FeFe、MnMn形成难溶化合物，阻碍其随地下水迁移，并减小了对形成难溶化合物，阻碍其随地下水迁移，并减小了对形成难溶化合物，阻碍其随地下水迁移，并
13、减小了对形成难溶化合物，阻碍其随地下水迁移，并减小了对农作物的危害农作物的危害农作物的危害农作物的危害l lCrCr、ZnZn、CuCu、CdCd形成易溶化合物，有利于其随地下水迁移，并形成易溶化合物，有利于其随地下水迁移，并形成易溶化合物，有利于其随地下水迁移，并形成易溶化合物，有利于其随地下水迁移，并加强了对农作物的危害加强了对农作物的危害加强了对农作物的危害加强了对农作物的危害 还原条件下还原条件下还原条件下还原条件下l lAsAs、FeFe、MnMn形成易溶化合物，有利于其随地下水迁移，并加强了形成易溶化合物，有利于其随地下水迁移，并加强了形成易溶化合物，有利于其随地下水迁移，并加强了
14、形成易溶化合物，有利于其随地下水迁移，并加强了对农作物的危害对农作物的危害对农作物的危害对农作物的危害l lCrCr、ZnZn、CuCu、CdCd形成难溶化合物，阻碍其随地下水迁移，并减形成难溶化合物，阻碍其随地下水迁移，并减形成难溶化合物，阻碍其随地下水迁移，并减形成难溶化合物，阻碍其随地下水迁移，并减小了对农作物的危害小了对农作物的危害小了对农作物的危害小了对农作物的危害二、植物二、植物-土壤影响阶段土壤影响阶段l l经过植物经过植物经过植物经过植物-土壤的地下水的特征土壤的地下水的特征土壤的地下水的特征土壤的地下水的特征 含有数量可观的碳酸含有数量可观的碳酸含有数量可观的碳酸含有数量可观
15、的碳酸 未被氧化的有机化合物的进一步分解将使水中碳酸进一步提高未被氧化的有机化合物的进一步分解将使水中碳酸进一步提高未被氧化的有机化合物的进一步分解将使水中碳酸进一步提高未被氧化的有机化合物的进一步分解将使水中碳酸进一步提高 相对于碳酸盐矿物与原生铝硅酸盐矿物，远未达到饱和状态，即相对于碳酸盐矿物与原生铝硅酸盐矿物，远未达到饱和状态，即相对于碳酸盐矿物与原生铝硅酸盐矿物，远未达到饱和状态，即相对于碳酸盐矿物与原生铝硅酸盐矿物，远未达到饱和状态，即具有强溶解能力；具有强溶解能力；具有强溶解能力；具有强溶解能力；l l上上上上述述述述特特特特征征征征决决决决定定定定了了了了地地地地下下下下水水水水
16、具具具具有有有有很很很很强强强强的的的的与与与与围围围围岩岩岩岩介介介介质质质质发发发发生反应的能力。生反应的能力。生反应的能力。生反应的能力。三、水三、水-岩相互作用阶段岩相互作用阶段l l水与岩石的相互作用取决于水与岩石的相互作用取决于水与岩石的相互作用取决于水与岩石的相互作用取决于 岩石（或矿物）的组成岩石（或矿物）的组成岩石（或矿物）的组成岩石（或矿物）的组成 地下水的成分地下水的成分地下水的成分地下水的成分 环境的热力学条件：如温度、压力，氧化还原条件等环境的热力学条件：如温度、压力，氧化还原条件等环境的热力学条件：如温度、压力，氧化还原条件等环境的热力学条件：如温度、压力，氧化还原
17、条件等l l水水水水-岩地球化学作用类型岩地球化学作用类型岩地球化学作用类型岩地球化学作用类型 溶解溶解溶解溶解-沉淀作用沉淀作用沉淀作用沉淀作用 离子交换作用离子交换作用离子交换作用离子交换作用 氧化还原作用氧化还原作用氧化还原作用氧化还原作用l l在气候温和，降水充沛，地下径流发育的地区，岩石中在气候温和，降水充沛，地下径流发育的地区，岩石中在气候温和，降水充沛，地下径流发育的地区，岩石中在气候温和，降水充沛，地下径流发育的地区，岩石中的各种盐类在溶滤作用下依次溶出的各种盐类在溶滤作用下依次溶出的各种盐类在溶滤作用下依次溶出的各种盐类在溶滤作用下依次溶出 氯化物溶出，形成氯化物溶出，形成氯
18、化物溶出，形成氯化物溶出，形成氯化物型水氯化物型水氯化物型水氯化物型水出现于出现于出现于出现于含盐层及盐渍化区含盐层及盐渍化区含盐层及盐渍化区含盐层及盐渍化区 硫酸盐及残余氯化物溶出，形成硫酸盐及残余氯化物溶出，形成硫酸盐及残余氯化物溶出，形成硫酸盐及残余氯化物溶出，形成硫酸盐型水硫酸盐型水硫酸盐型水硫酸盐型水出现于出现于出现于出现于干旱、干旱、干旱、干旱、半干旱大陆区和石膏区半干旱大陆区和石膏区半干旱大陆区和石膏区半干旱大陆区和石膏区 易溶盐大部分溶出后，含易溶盐大部分溶出后，含易溶盐大部分溶出后，含易溶盐大部分溶出后，含COCO2 2的水使碳酸盐和铝硅酸盐产生的水使碳酸盐和铝硅酸盐产生的水
19、使碳酸盐和铝硅酸盐产生的水使碳酸盐和铝硅酸盐产生不全等溶解，形成不全等溶解，形成不全等溶解，形成不全等溶解，形成重碳酸型水重碳酸型水重碳酸型水重碳酸型水出现于出现于出现于出现于陆源沉积的近海区、陆源沉积的近海区、陆源沉积的近海区、陆源沉积的近海区、碱土区和火山岩区碱土区和火山岩区碱土区和火山岩区碱土区和火山岩区 当硅酸盐被溶滤时，可形成当硅酸盐被溶滤时，可形成当硅酸盐被溶滤时，可形成当硅酸盐被溶滤时，可形成含硅酸、含硅酸、含硅酸、含硅酸、FeFe3+3+较高的重碳酸型水较高的重碳酸型水较高的重碳酸型水较高的重碳酸型水出现于出现于出现于出现于风化强烈的湿热气候区风化强烈的湿热气候区风化强烈的湿热
20、气候区风化强烈的湿热气候区三、水三、水-岩相互作用阶段岩相互作用阶段溶滤作用溶滤作用l l阳离子交换作用阳离子交换作用阳离子交换作用阳离子交换作用 CaCa2+2+2Na+2Nax x 2Na2Na+CaCax x MgMg2+2+2Na+2Nax x 2Na2Na+MgMgx xl l阴离子交换作用阴离子交换作用阴离子交换作用阴离子交换作用 Muscovite Muscovite KAlKAl2 2 AlSi AlSi3 3OO1010 F F2 2+2OH+2OH-=KAl=KAl2 2 AlSi AlSi3 3OO1010 OH OH2 2+2F+2F-BiotiteBiotite KM
21、gKMg3 3 AlSi AlSi3 3OO1010 F F2 2+2OH+2OH-=KMg AlSi=KMg AlSi3 3OO1010 OH OH2 2+2F+2F-三、水三、水-岩相互作用阶段岩相互作用阶段离子交换作离子交换作用用l l以富含以富含以富含以富含OO2 2的入渗水进入含黄铁矿的沉积层为例的入渗水进入含黄铁矿的沉积层为例的入渗水进入含黄铁矿的沉积层为例的入渗水进入含黄铁矿的沉积层为例 沉积层中黄铁矿溶解，地下水中形成沉积层中黄铁矿溶解，地下水中形成沉积层中黄铁矿溶解，地下水中形成沉积层中黄铁矿溶解，地下水中形成FeFe2+2+与与与与SOSO4 42-2-上述反应生成的硫酸与
22、碳酸盐岩反应，可生成上述反应生成的硫酸与碳酸盐岩反应，可生成上述反应生成的硫酸与碳酸盐岩反应，可生成上述反应生成的硫酸与碳酸盐岩反应，可生成COCO2 2，并进一步促进并进一步促进并进一步促进并进一步促进碳酸盐岩的溶解碳酸盐岩的溶解碳酸盐岩的溶解碳酸盐岩的溶解，形成形成形成形成SOSO4 4.HCOHCO3 3型水；型水；型水；型水；若无碳酸岩存在，则形成若无碳酸岩存在，则形成若无碳酸岩存在，则形成若无碳酸岩存在，则形成SOSO4 4型型型型水水水水 在强氧化条件下，且有碳酸盐岩存在时，硫酸被中和，在强氧化条件下，且有碳酸盐岩存在时，硫酸被中和，在强氧化条件下，且有碳酸盐岩存在时，硫酸被中和，
23、在强氧化条件下，且有碳酸盐岩存在时，硫酸被中和，pHpH增高，增高，增高，增高，可析出氢氧化铁沉淀可析出氢氧化铁沉淀可析出氢氧化铁沉淀可析出氢氧化铁沉淀l l以沉积层中含有机物为例以沉积层中含有机物为例以沉积层中含有机物为例以沉积层中含有机物为例 地下水中的地下水中的地下水中的地下水中的SOSO4 42-2-被还原为被还原为被还原为被还原为HH2 2S S 地下水中含地下水中含地下水中含地下水中含HH2 2S S气体气体气体气体，取样时可闻到臭鸡蛋味道，取样时可闻到臭鸡蛋味道，取样时可闻到臭鸡蛋味道，取样时可闻到臭鸡蛋味道 SOSO4 42-2-+2C+2 +2C+2 HH2 2O O HH2
24、 2S+2S+2HCOHCO3 3-三、水三、水-岩相互作用阶段岩相互作用阶段氧化还原作氧化还原作用用lPHREEQC的应用的应用课堂案例课堂案例2：黄铁矿的氧化黄铁矿的氧化黄铁矿的氧化黄铁矿的氧化lPHREEQC的应用的应用课堂案例课堂案例3：脱硫酸过程脱硫酸过程脱硫酸过程脱硫酸过程三、水三、水-岩相互作用阶段岩相互作用阶段氧化还原作氧化还原作用用Al,Fe,Mn的氢氧化物的氢氧化物SiO2和粘土矿物和粘土矿物Al,Fe,Mn的磷酸盐的磷酸盐Ca和和Mg的碳酸盐的碳酸盐CaSO4（石膏）石膏）Na2SO4（芒硝）芒硝）Na,K的氯化物的氯化物Mg的氯化物的氯化物Na,K和和Ca的硝酸盐的硝酸
25、盐硅酸硅酸-重碳酸型水重碳酸型水重碳酸重碳酸-钙镁水钙镁水苏打水苏打水Na2SO4型水型水Cl-Na水水水水中中盐盐类类析析出出顺顺序序地地下下水水化化学学成成分分变变化化四、四、蒸发浓缩阶段蒸发浓缩阶段表生带地下水化学成分特征表生带地下水化学成分特征l l表生带的概念表生带的概念 地球表部存在生物活动的圈带，包括大气圈、水圈、地球表部存在生物活动的圈带，包括大气圈、水圈、地球表部存在生物活动的圈带，包括大气圈、水圈、地球表部存在生物活动的圈带，包括大气圈、水圈、生物圈等生物圈等生物圈等生物圈等 表生带是赋存渗入成因水的主要场所表生带是赋存渗入成因水的主要场所表生带是赋存渗入成因水的主要场所表
26、生带是赋存渗入成因水的主要场所l l表生带地下水具有分带性表生带地下水具有分带性 水文地球化学分带性水文地球化学分带性水文地球化学分带性水文地球化学分带性地下水化学成分在空间变地下水化学成分在空间变地下水化学成分在空间变地下水化学成分在空间变化的规律性化的规律性化的规律性化的规律性l l自然地理分带自然地理分带自然地理分带自然地理分带水平分带水平分带水平分带水平分带l l地质分带地质分带地质分带地质分带 垂直分带垂直分带垂直分带垂直分带l l渗入成因的溶滤潜水渗入成因的溶滤潜水渗入成因的溶滤潜水渗入成因的溶滤潜水 弱酸性、重碳酸钙镁淡水弱酸性、重碳酸钙镁淡水弱酸性、重碳酸钙镁淡水弱酸性、重碳酸
27、钙镁淡水 库尔洛夫式库尔洛夫式库尔洛夫式库尔洛夫式l l大陆盐化的潜水大陆盐化的潜水大陆盐化的潜水大陆盐化的潜水 微咸、弱碱、硫酸盐微咸、弱碱、硫酸盐微咸、弱碱、硫酸盐微咸、弱碱、硫酸盐-氯化物氯化物氯化物氯化物-重碳酸重碳酸重碳酸重碳酸-钠钙镁钠钙镁钠钙镁钠钙镁 库尔洛夫式库尔洛夫式库尔洛夫式库尔洛夫式l l两种水两种水两种水两种水4:14:1混合混合混合混合 重碳酸重碳酸重碳酸重碳酸-硫酸硫酸硫酸硫酸-钙钠镁水钙钠镁水钙钠镁水钙钠镁水 库尔洛夫式库尔洛夫式库尔洛夫式库尔洛夫式表生带地下水的平均化学成分特征表生带地下水的平均化学成分特征表生带地下水化学成分特征表生带地下水化学成分特征l l表
28、生带地下水的分带性受下列因素影响表生带地下水的分带性受下列因素影响表生带地下水的分带性受下列因素影响表生带地下水的分带性受下列因素影响 一级因素：气候一级因素：气候一级因素：气候一级因素：气候 二级因素：植被二级因素：植被二级因素：植被二级因素：植被 三级因素：岩性三级因素：岩性三级因素：岩性三级因素：岩性l l气候是控制表生带地下水分带性最宏观一级的气候是控制表生带地下水分带性最宏观一级的气候是控制表生带地下水分带性最宏观一级的气候是控制表生带地下水分带性最宏观一级的因素因素因素因素 我国自东南向西北矿化度渐高，重碳酸水我国自东南向西北矿化度渐高，重碳酸水我国自东南向西北矿化度渐高，重碳酸水
29、我国自东南向西北矿化度渐高，重碳酸水硫酸盐硫酸盐硫酸盐硫酸盐水水水水氯化物水氯化物水氯化物水氯化物水浓缩为主的卤水浓缩为主的卤水浓缩为主的卤水浓缩为主的卤水植被是控制表生带地下水分带性的次一级因素植被是控制表生带地下水分带性的次一级因素l l所有水样点均位于粘土所有水样点均位于粘土所有水样点均位于粘土所有水样点均位于粘土矿物稳定区内，而不位矿物稳定区内，而不位矿物稳定区内，而不位矿物稳定区内，而不位于原生铝硅酸盐矿物饱于原生铝硅酸盐矿物饱于原生铝硅酸盐矿物饱于原生铝硅酸盐矿物饱和区内，表明在表生带和区内，表明在表生带和区内，表明在表生带和区内，表明在表生带地下水与铝硅酸盐矿物地下水与铝硅酸盐矿
30、物地下水与铝硅酸盐矿物地下水与铝硅酸盐矿物普遍反应生成粘土矿物。普遍反应生成粘土矿物。普遍反应生成粘土矿物。普遍反应生成粘土矿物。l l在草原区，蒙脱石化现在草原区，蒙脱石化现在草原区，蒙脱石化现在草原区，蒙脱石化现象比较常见；而在森林象比较常见；而在森林象比较常见；而在森林象比较常见；而在森林区，高岭石化现象比较区，高岭石化现象比较区，高岭石化现象比较区，高岭石化现象比较常见。常见。常见。常见。l l草原区与森林草原区的草原区与森林草原区的草原区与森林草原区的草原区与森林草原区的水样对方解石表现为饱水样对方解石表现为饱水样对方解石表现为饱水样对方解石表现为饱和或接近饱和和或接近饱和和或接近饱
31、和和或接近饱和，在上述在上述在上述在上述区域易形成苏打水。区域易形成苏打水。区域易形成苏打水。区域易形成苏打水。1 1、大气降水；、大气降水；2 2、森林带的沼泽；、森林带的沼泽；3 3、热带森林；、热带森林；4 4、热带、热带草原；草原；5 5、亚热带森林；、亚热带森林；6 6、亚热带草原；、亚热带草原；7 7、永冻原始森、永冻原始森林；林；8 8、高山；、高山；9 9、山区森林；、山区森林；1010、山区草原；、山区草原；1111、混合林、混合林带；带；1212、南方原始森林；、南方原始森林；1313、森林草原；、森林草原；1414、温带草原、温带草原不同岩性地区不同岩性地区地下水化学成分
32、的形成、演化地下水化学成分的形成、演化l碳酸盐岩地区碳酸盐岩地区l复杂沉积岩地区复杂沉积岩地区l结晶岩地区结晶岩地区碳酸盐岩地区碳酸盐岩地区地下水化学成分的形成和特征地下水化学成分的形成和特征l碳酸盐岩约占地表沉积岩分布面积的碳酸盐岩约占地表沉积岩分布面积的20%我国碳酸盐岩分布面积占整个国土面积的我国碳酸盐岩分布面积占整个国土面积的1/3，以西南，以西南地区与华北地区最为发育。地区与华北地区最为发育。l主要分布于主要分布于Z、O、D、C、P、T及部分及部分J、K和和N 的海相地层中。的海相地层中。碳酸盐岩地区碳酸盐岩地区地下水组分形成的影响因素地下水组分形成的影响因素l地下水化学成分的形成与
33、方解石和白云石地下水化学成分的形成与方解石和白云石的溶解的溶解-沉淀过程密切相关沉淀过程密切相关:l受岩溶地下水系统开、闭性的影响受岩溶地下水系统开、闭性的影响l受水与矿物的相遇顺序影响受水与矿物的相遇顺序影响l受其他矿物的影响受其他矿物的影响l受地下水中其他组分的影响受地下水中其他组分的影响l受地下水流动过程中环境温度的影响受地下水流动过程中环境温度的影响岩溶地下水系统岩溶地下水系统开闭性对地下水的影响开闭性对地下水的影响l大气圈中的大气圈中的CO2分压一般为分压一般为10-3.5巴巴；包气带的包气带的CO2分压在分压在10-2巴左右；而地下水中巴左右；而地下水中CO2分压值变化较大，一般在
34、分压值变化较大，一般在10-110-3巴之间，生物的呼吸作用及其分解都会产生巴之间，生物的呼吸作用及其分解都会产生CO2。l闭系统：系统与大气没有闭系统：系统与大气没有CO2交换，水与碳酸盐矿物之间的交换，水与碳酸盐矿物之间的溶解反应所消耗的溶解反应所消耗的CO2得不到补充，这类系统称为得不到补充，这类系统称为“闭系统闭系统”。其特征是，。其特征是，Ca2+、HCO3-浓度较低，而浓度较低，而pH较高；达到较高；达到溶解平衡后，溶解平衡后，CO2分压值小于原始值。分压值小于原始值。l开系统：系统与大气有开系统：系统与大气有CO2交换，水与碳酸盐矿物之间的溶交换，水与碳酸盐矿物之间的溶解反应所消
35、耗的解反应所消耗的CO2可不断得到补充，这类系统称为可不断得到补充，这类系统称为“开系开系统统”。其特征是，。其特征是，Ca2+、HCO3-较高，而较高，而pH值较低；水中值较低；水中CO2分压一般保持定值，其范围一般在分压一般保持定值，其范围一般在10-2-10-3巴之间。巴之间。岩溶地下水系统岩溶地下水系统开闭性对地下水的影响开闭性对地下水的影响l开系统开系统特征：特征：PCO2基本保持不变基本保持不变判据判据l流量、水位动态对旱雨季响应明显流量、水位动态对旱雨季响应明显l地下水中有来自地表的污染物（地下水中有来自地表的污染物（NO3、Cl、细菌）细菌）l地下水中的计算地下水中的计算PCO
36、2高于大气高于大气PCO2岩溶地下水系统岩溶地下水系统开闭性对地下水的影响开闭性对地下水的影响l开系统开系统PCO2保持不变，方解石白云石不保持不变，方解石白云石不断溶解至饱和断溶解至饱和Lg(HCO3)与与pH呈线形关系呈线形关系HCO3,Ca,TDS高，高，pH低，低，SI 1泉华：开系统中的地下水以泉泉华：开系统中的地下水以泉出露地表（从溶洞流出），出露地表（从溶洞流出），CO2溢出，溢出，Pco2降低降低，在泉口附近形在泉口附近形成成CaCO3 或或 CaMg(CO3)2 沉淀沉淀岩溶地下水系统岩溶地下水系统开闭性对地下水的影响开闭性对地下水的影响l闭系统闭系统特征：特征：PCO2不断
37、下降。不断下降。判据判据l流量、水位动态对旱雨季无明显响应流量、水位动态对旱雨季无明显响应l地下水中无来自地表的污染物（地下水中无来自地表的污染物（NO3、Cl、细菌）细菌）l地下水中计算地下水中计算PCO2较低较低岩溶地下水系统岩溶地下水系统开闭性对地下水的影响开闭性对地下水的影响l闭系统闭系统PCO2快速下降，对方解快速下降，对方解石白云石溶解能力降低，石白云石溶解能力降低，达到饱和相对困难达到饱和相对困难HCO3与与pH呈非线性呈非线性,pH增加增加HCO3增加很少增加很少HCO3,Ca,TDS低，低，pH高，高，SI88）出露地表后变化出露地表后变化形成泉华形成泉华一般无泉华一般无泉华
38、地下水组分变化大地下水组分变化大地下水组分变化小地下水组分变化小岩溶地下水系统岩溶地下水系统矿物溶解顺序对地下水的影响矿物溶解顺序对地下水的影响l地下水流动过程中所遇到的矿物的顺序不同，将地下水流动过程中所遇到的矿物的顺序不同，将会导致地下水化学组分的差异会导致地下水化学组分的差异l3种溶解顺序种溶解顺序l白云石白云石方解石方解石l方解石方解石白云石白云石l同步溶解同步溶解l第一种溶解顺序：白云石第一种溶解顺序：白云石方解石方解石先遇白云石，饱和后，再遇方解石先遇白云石，饱和后，再遇方解石对于以上的溶解顺序，地下水温度将对水化学过程产生影响对于以上的溶解顺序，地下水温度将对水化学过程产生影响原
39、因原因lKc=Ca2+CO32-lKd=Ca2+Mg2+CO32-2 Ca2+CO32-2lT=10 C时，时，Kd =Kclt Kc；即白云石饱和后，水流经方解石时出现沉淀即白云石饱和后，水流经方解石时出现沉淀lt 10 C时，时，Kd 白云石，故方解石先饱和而沉淀，白云石，故方解石先饱和而沉淀，白云石继续溶解白云石继续溶解；l结果：地下水中的结果：地下水中的Ca2+与与Mg2+的摩尔浓度之比初始值高，后的摩尔浓度之比初始值高，后来逐渐渐低；来逐渐渐低；l如果白云石含量远大于方解石（如灰质白云岩），白云石将如果白云石含量远大于方解石（如灰质白云岩），白云石将先达到饱和，此时，方解石的溶解就更
40、难了，最终形成的地先达到饱和，此时，方解石的溶解就更难了，最终形成的地下水中的下水中的Ca2+与与Mg2+的摩尔浓度之比可能小于前一种情况。的摩尔浓度之比可能小于前一种情况。若方解石、白云石均达到溶解平衡，则若方解石、白云石均达到溶解平衡，则碳酸盐岩地区碳酸盐岩地区其他因素对地下水的影响其他因素对地下水的影响l地下水温度的影响地下水温度的影响大多数矿物的溶解度随温度增加而增大，但碳酸盐岩区的大多数矿物的溶解度随温度增加而增大，但碳酸盐岩区的主要矿物主要矿物方解石方解石与与白云石白云石恰好相反，而且溶解度随水温变恰好相反，而且溶解度随水温变化较大。化较大。对碳酸盐岩区而言，在地下水流动过程中，若
41、沿流径水温对碳酸盐岩区而言，在地下水流动过程中，若沿流径水温增加，则水中钙、重碳酸、增加，则水中钙、重碳酸、TDS等可能不遵循含量随流程等可能不遵循含量随流程增加而升高的规律；与此相反，由低温区到高温区，可能增加而升高的规律；与此相反，由低温区到高温区，可能产生方解石和白云石沉淀，地下水的产生方解石和白云石沉淀，地下水的TDS下降。下降。例如，融雪季节时地表附近对方解石饱和的低温水下渗至例如，融雪季节时地表附近对方解石饱和的低温水下渗至地下常温带时，将达到过饱和，从而产生地下常温带时，将达到过饱和，从而产生CaCO3沉淀，地沉淀，地下水中的下水中的TDS将小于地表附近的入渗水。将小于地表附近的
42、入渗水。碳酸盐岩地区碳酸盐岩地区其他因素对地下水的影响其他因素对地下水的影响l含水层中其他矿物的影响含水层中其他矿物的影响不纯的灰岩与白云岩含石膏与硬石膏；不纯的灰岩与白云岩含石膏与硬石膏；石膏与硬石膏的存在将引起同离子效应，使石膏与硬石膏的存在将引起同离子效应，使HCO3-含量下降。含量下降。l地下水中其他组分的影响地下水中其他组分的影响埋藏型碳酸盐岩区，入渗水经过土壤带与其他上覆地层将增加地下埋藏型碳酸盐岩区，入渗水经过土壤带与其他上覆地层将增加地下水中的易溶盐类，如水中的易溶盐类，如Cl-、SO42-、Na+；TDS较高时，离子强度的增加会降低较高时，离子强度的增加会降低Ca2+、Mg2
43、+、HCO3-的活度的活度系数，增加碳酸盐矿物的溶解度；系数，增加碳酸盐矿物的溶解度；TDS较高时，地下水组分中络合物的比例将大大增加；这也会增加较高时，地下水组分中络合物的比例将大大增加；这也会增加碳酸盐矿物的溶解度。碳酸盐矿物的溶解度。碳酸盐岩地区碳酸盐岩地区其他因素对地下水的影响其他因素对地下水的影响lPHREEQC的应用的应用课堂案例课堂案例4：TDS对络合物的影响对络合物的影响复杂沉积岩系统复杂沉积岩系统地下水化学成分形成和演变地下水化学成分形成和演变l复杂沉积系统复杂沉积系统岩石地层：如砂岩、灰岩、石膏层的互层岩石地层：如砂岩、灰岩、石膏层的互层松散沉积物地层：如砂砾石层与粘性土层
44、的互层松散沉积物地层：如砂砾石层与粘性土层的互层矿物种类比较齐全矿物种类比较齐全l影响地下水成分的重要因素影响地下水成分的重要因素水与各种岩石的相遇顺序水与各种岩石的相遇顺序l相遇顺序相遇顺序(1)假定通过灰岩、石膏、砂岩和页岩四种岩石，第假定通过灰岩、石膏、砂岩和页岩四种岩石，第1种顺序：种顺序：方解石溶解方解石溶解低低TDS,HCOTDS,HCO3 3-Ca-Ca石膏溶解，同离子效石膏溶解，同离子效应，方解石过饱和应，方解石过饱和高高TDS,SOTDS,SO4 4HCOHCO3 3-Ca-Ca石英、长石少量溶解，石英、长石少量溶解，成分变化不明显成分变化不明显蒙脱石中的蒙脱石中的NaNa被
45、被CaCa交交换，水中换，水中NaNa增加增加 SO SO4 4-Na-Na复杂沉积岩系统复杂沉积岩系统地下水化学成分形成和演变地下水化学成分形成和演变石英、长石不全等溶解石英、长石不全等溶解低低TDS,HCOTDS,HCO3 3KK少量少量由于由于CaCa少，不交换少，不交换成分变化不明显成分变化不明显HCOHCO3 3-Ca-Ca方解石溶解方解石溶解石膏溶解，同离子石膏溶解，同离子效应，方解石沉淀，效应，方解石沉淀，HCOHCO3 3降降 SO SO4 4-Ca-Cal相遇顺序相遇顺序(2)(2)仍然通过灰岩、石膏、砂岩和页岩四种岩石，但为第仍然通过灰岩、石膏、砂岩和页岩四种岩石，但为第2
46、 2种顺序：种顺序：复杂沉积岩系统复杂沉积岩系统地下水化学成分形成和演变地下水化学成分形成和演变结晶岩区结晶岩区地下水化学成分形成和演变地下水化学成分形成和演变l结晶岩结晶岩形成于地壳深部高温高压环境的岩浆岩和变质岩，结形成于地壳深部高温高压环境的岩浆岩和变质岩，结晶程度高，含石英、长石、云母等硅酸盐矿物；晶程度高，含石英、长石、云母等硅酸盐矿物；鉴于其形成环境，结晶岩在地球浅部热力学性质不稳鉴于其形成环境，结晶岩在地球浅部热力学性质不稳定，与水接触后可发生水解，形成高岭石、蒙脱石、定，与水接触后可发生水解，形成高岭石、蒙脱石、伊利石等粘土矿物。伊利石等粘土矿物。l结晶岩地区地下水的特点结晶岩
47、地区地下水的特点以以HCO3-、Na+为主，其次为为主，其次为Ca2+、Mg2+，SiO2含量较含量较高，高，TDS低；低；沿水流途径，优势阴离子向沿水流途径，优势阴离子向SO4、Cl转化不明显，水化转化不明显，水化学类型为学类型为HCO3-Na。结晶岩区结晶岩区地下水化学成分形成和演变地下水化学成分形成和演变l分析方法分析方法矿物稳定场图法矿物稳定场图法l对于岩浆岩地区对于岩浆岩地区绝大部分水点位于高岭土场区内；绝大部分水点位于高岭土场区内；少量在蒙脱石区；少量在蒙脱石区；在原生铝硅酸盐区、水铝矿区、云母区几乎没有水点在原生铝硅酸盐区、水铝矿区、云母区几乎没有水点水文地球化学模拟水文地球化学
48、模拟l通过矿物稳定场图判断可能发生的矿物水解反应与反应生成通过矿物稳定场图判断可能发生的矿物水解反应与反应生成的粘土矿物；的粘土矿物；l利用实测水化学资料，结合矿物稳定场图的判断结果，利用利用实测水化学资料，结合矿物稳定场图的判断结果，利用反向地球化学模拟来计算反应过程中原生矿物的反应量。反向地球化学模拟来计算反应过程中原生矿物的反应量。l例题：例题：P113-表表3-7矿矿物物稳稳定定场场图图结晶岩区结晶岩区地下水化学成分形成和演变地下水化学成分形成和演变lPHREEQC的应用的应用课堂案例课堂案例5：硅酸盐平衡矿物溶解的反向模拟硅酸盐平衡矿物溶解的反向模拟例题：例题：P113-表表3-7三
49、种渗入成因的地下水三种渗入成因的地下水NaHCO3型水（苏打水）型水（苏打水）lNa/Cl 1；(Na-Cl)/SO4 1 Na2SO4型水型水 lNa/Cl 1；(Na-Cl)/SO4 7，一般在一般在8左右）左右）软水或极软水软水或极软水矿化度多在矿化度多在0.6 g/L以上以上NaHCO3型水型水苏打水苏打水l形成作用与条件形成作用与条件1、阳离子交替吸附作用、阳离子交替吸附作用条件条件l灌溉地段洗盐灌溉地段洗盐：潜水盐化使潜水盐化使Na+的浓度增大，使土壤中富含吸附状的浓度增大，使土壤中富含吸附状Na+，而用而用HCO3-Ca水灌溉时，可出现阳离子交替吸附作用，形水灌溉时，可出现阳离子
50、交替吸附作用，形成苏打水。成苏打水。l在滨海平原发生海退作用后，在海退不久的地方，在滨海平原发生海退作用后，在海退不久的地方，富含富含Ca2+的陆的陆地水与富含吸附状地水与富含吸附状Na的刚形成的海相粘土质沉积物进行上述阳离的刚形成的海相粘土质沉积物进行上述阳离子交替吸附作用子交替吸附作用，形成苏打水。，形成苏打水。NaHCO3型水型水苏打水苏打水l形成作用与条件形成作用与条件2、脱硫酸作用、脱硫酸作用l在封闭还原环境中，脱硫酸菌参与脱硫酸作用，水中在封闭还原环境中，脱硫酸菌参与脱硫酸作用，水中SO42-减少乃减少乃至消失，出现至消失，出现H2S，形成苏打水。形成苏打水。条件条件l发生在湖泊、