水文地球化学电子.pptx

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1、第四讲 地下水化学成分的形成与特征第1页/共114页地下水基本成因类型按照地下水的形成起源可分为：溶滤-渗入水沉积-埋藏水同期沉积水非同期沉积水含有一定比例的其他成因水内生水第2页/共114页溶滤-渗入水溶滤-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。沉积-埋藏水也称为封存水，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映形成沉积物时盆地的特点。在沉积-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明。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-埋藏水的形成过程及其水化学成分是非常复杂的。l挤压阶段：淤泥、粘土中的沉积

2、水受挤压进入含水层l渗入阶段：沉积物出露地表，大气水或地表水入渗，并驱替沉积水，发生水交替作用l下一个挤压阶段：形成新的淤泥、粘土；含水层中的水由中心向盆地两侧运移地下水基本成因类型第3页/共114页地下水基本成因类型地下水基本成因类型内生水1902年捷克鸩斯提出“初生水”，即岩浆分异出来的水（岩浆水），认为该水首次流出地表，继而参与水圈总循环。1940年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、并转入现代水圈的水称为“再生水”。1975年加弗里连科，在承认初生水基础上

3、，提出“深成水”，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、接触交代作用和花岗岩化作用的大量初生水，以及以上作用终止后从岩石中脱出的再生水。这部分水仅当存在适当通道时，才溢出地表。第4页/共114页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-渗入水）外生的 沉积成因的（沉积-埋藏水）地下水 变质成因的（变质水、再生水）内生的 岩浆成因的（初生水、岩浆水）混合第5页/共114页渗入成因地下水第6页/共114页渗入成因地下水成分的形成过程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 植物植物-土壤影响阶段土壤影响阶段 水水-岩相互作用阶段岩相互作用阶段 蒸发浓缩

4、阶段蒸发浓缩阶段第7页/共114页一、大气降水阶段 大气降雨的一般成分特征大气降雨的一般成分特征 气体气体可溶性气体（O2,CO2,N2等）及惰性气体 侵蚀性侵蚀性CO2溶于水后，形成碳酸，降低了雨水的pH值，提高了它的侵蚀性 弱酸弱酸-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 人类活动促使大气降水聚集各类金属、有机化合物及各种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、氧化盐类，改变了雨水的矿化度、成分、氧化-还原性质、侵蚀还原性质、侵蚀性等。（例如酸雨性等。（例如酸雨pH5.65pH5.65）第8页/共114页一、大气降水阶

5、段 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：受风卷送的海水飞沫等影响，其Na，Cl，Br，I 等含量相对增高，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：雨水是无色、无味的，所含离子主要为Ca2+和HCO3-，矿化度一般为0.0n克/升。内陆干旱地区内陆干旱地区：雨水中杂质比较多，矿化度可达0.n克/升。第9页/共114页二、植物-土壤影响阶段植物 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1955年瑞典Gorham 作了一个比较研究，在松柏针叶树树根下采的雨水样与当地空中

6、采的雨水样相比，发现，经过植物的雨水的钠和钙含量高出3倍，钾则高出17倍。第10页/共114页二、植物-土壤影响阶段 土壤是一个消耗水中土壤是一个消耗水中DODO的的“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 大气中的大气中的COCO2 2 光合作用光合作用土壤中的有机物土壤中的有机物COCO2 2、NH3NH3等强反应物等强反应物 根系植物的呼吸作用根系植物的呼吸作用 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

7、殖酸 DODO与黄铁矿、锰结核等土壤中的矿物相反应也是酸性物质与黄铁矿、锰结核等土壤中的矿物相反应也是酸性物质的来源之一的来源之一第11页/共114页二、植物-土壤影响阶段 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 AsAs、FeFe、MnMn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 CrCr、ZnZn、CuCu、CdCd形成易溶化合物，有利于其随地下水迁移，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并加强了对农作物的危害 还原条件下还原条件下 A

8、sAs、FeFe、MnMn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 CrCr、ZnZn、CuCu、CdCd形成难溶化合物，阻碍其随地下水迁移，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并减小了对农作物的危害第12页/共114页二、植物-土壤影响阶段 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 含有数量可观的碳酸含有数量可观的碳酸 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

9、态，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；即具有强溶解能力；上述特征决定了地下水具有很强的与围岩介质发生反应的能力。上述特征决定了地下水具有很强的与围岩介质发生反应的能力。第13页/共114页三、水-岩相互作用阶段 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 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 水水-岩地球化学作用类型岩地球化学作用类型 溶解溶解-沉淀作用沉淀作用 离子交换作用离子交换作用 氧化还原作用氧化还原作用第14页/共11

10、4页 在气候温和，降水充沛，地下径流发育的地区，岩石在气候温和，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中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，形成氯化物型水氯化物型水出现于出现于含盐层及盐渍含盐层及盐渍化区化区 硫酸盐及残余氯化物溶出，形成硫酸盐及残余氯化物溶出，形成硫酸盐型水硫酸盐型水出现于出现于干旱、半干旱大陆区和石膏区干旱、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COCO2 2的水使碳酸盐和铝硅酸盐的水使碳酸盐和铝硅酸盐产生不全等溶解，形成产生不全等溶解，形成重碳酸型水重碳酸型水出现于出现于陆源沉积的陆源沉积的近

11、海区、碱土区和火山岩区近海区、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，可形成含硅酸、含硅酸、FeFe3+3+较高的重碳酸较高的重碳酸型水型水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三、水-岩相互作用阶段溶滤作用第15页/共114页 阳离子交换作用阳离子交换作用 CaCa2+2+2Na+2Nax x 2Na2Na+Ca+Cax x MgMg2+2+2Na+2Nax x 2Na2Na+Mg+Mgx x 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

12、=KAl2 2 AlSi AlSi3 3OO1010 OH OH2 2+2F2F-BiotiteBiotite KMgKMg3 3 AlSi AlSi3 3OO1010 F F2 2+2OH+2OH-=KMg AlSi=KMg AlSi3 3OO1010 OH OH2 2+2F2F-三、水-岩相互作用阶段离子交换作用第16页/共114页 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 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SOSO4 42-2-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

13、岩反应，可生成COCO2 2，并进一步并进一步促进碳酸盐岩的溶解促进碳酸盐岩的溶解，形成形成SOSO4 4.HCOHCO3 3型水；型水；若无碳酸岩存在，若无碳酸岩存在，则形成则形成SOSO4 4型型水水 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，pHpH增增高，可析出氢氧化铁沉淀高，可析出氢氧化铁沉淀 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SOSO4 42-2-被还原为被还原为HH2 2S S 地下水中含地下水中含HH2 2S S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 SOSO4 42-2-+

14、2C+2 +2C+2 HH2 2O O HH2 2S+2S+2HCOHCO3 3-三、水-岩相互作用阶段氧化还原作用第17页/共114页PHREEQC的应用课堂案例2：黄铁矿的氧化黄铁矿的氧化PHREEQC的应用课堂案例3：脱硫酸过程脱硫酸过程三、水-岩相互作用阶段氧化还原作用第18页/共114页Al,Fe,Mn的氢氧化物SiO2和粘土矿物Al,Fe,Mn的磷酸盐Ca和Mg的碳酸盐CaSO4（石膏）Na2SO4（芒硝）Na,K的氯化物Mg的氯化物Na,K和Ca的硝酸盐硅酸-重碳酸型水重碳酸-钙镁水苏打水Na2SO4型水Cl-Na水水中盐类析出顺序地下水化学成分变化四、蒸发浓缩阶段第19页/共1

15、14页表生带地下水化学成分特征表生带的概念 地球表部存在生物活动的圈带，包括大气圈、水圈、生物圈等地球表部存在生物活动的圈带，包括大气圈、水圈、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地下水化学成分在空间变化的规律性地下水化学成分在空间变化的规律性 自然地理分带自然地理分带水平分带水平分带 地质分带地质分带 垂直分带垂直分带第20页/共114页 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 库尔洛夫式库尔洛夫式 大陆盐化的潜水大陆盐化的潜水 微咸、弱碱、硫酸盐微咸

16、、弱碱、硫酸盐-氯化物氯化物-重碳酸重碳酸-钠钙镁钠钙镁 库尔洛夫式库尔洛夫式 两种水两种水4:14:1混合混合 重碳酸重碳酸-硫酸硫酸-钙钠镁水钙钠镁水 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第21页/共114页表生带地下水化学成分特征 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 二级因素：植被二级因素：植被 三级因素：岩性三级因素：岩性 气候是控制表生带地下水分带性最宏观一级的因素气候是控制表生带地下水分带性最宏观一级的因素 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，重碳酸水硫酸盐水硫酸盐水氯化物水氯

17、化物水浓缩浓缩为主的卤水为主的卤水第22页/共114页植被是控制表生带地下水分带性的次一级因素 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。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；而在森林区，高岭石化现象比较区，高岭石化现象比较常见。常见。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和或接近饱和和或接近饱和，在上述在上述区域易形成

18、苏打水。区域易形成苏打水。1、大气降水；2、森林带的沼泽；3、热带森林；4、热带草原；5、亚热带森林；6、亚热带草原；7、永冻原始森林；8、高山；9、山区森林；10、山区草原；11、混合林带；12、南方原始森林；13、森林草原；14、温带草原第23页/共114页不同岩性地区地下水化学成分的形成、演化碳酸盐岩地区复杂沉积岩地区结晶岩地区第24页/共114页碳酸盐岩地区地下水化学成分的形成和特征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1/3，以西南地区与华北地区最为发育。主要分布于Z、O、D、C、P、T及部分J、K和N 的海相地层中。第25页/共114页第26页/

19、共114页碳酸盐岩地区地下水组分形成的影响因素地下水化学成分的形成与方解石和白云石的溶解-沉淀过程密切相关:受岩溶地下水系统开、闭性的影响受水与矿物的相遇顺序影响受其他矿物的影响受地下水中其他组分的影响受地下水流动过程中环境温度的影响第27页/共114页岩溶地下水系统开闭性对地下水的影响大气圈中的CO2分压一般为10-3.5巴；包气带的CO2分压在10-2巴左右；而地下水中CO2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CO2。闭系统：系统与大气没有CO2交换，水与碳酸盐矿物之间的溶解反应所消耗的CO2得不到补充，这类系统称为“闭系统”。其特征是，Ca2+、H

20、CO3-浓度较低，而pH较高；达到溶解平衡后，CO2分压值小于原始值。开系统：系统与大气有CO2交换，水与碳酸盐矿物之间的溶解反应所消耗的CO2可不断得到补充，这类系统称为“开系统”。其特征是，Ca2+、HCO3-较高，而pH值较低；水中CO2分压一般保持定值，其范围一般在10-2-10-3巴之间。第28页/共114页岩溶地下水系统开闭性对地下水的影响开系统特征：PCO2基本保持不变判据流量、水位动态对旱雨季响应明显地下水中有来自地表的污染物（NO3、Cl、细菌）地下水中的计算PCO2高于大气PCO2第29页/共114页岩溶地下水系统开闭性对地下水的影响开系统PCO2保持不变，方解石白云石不断

21、溶解至饱和Lg(HCO3)与pH呈线形关系HCO3,Ca,TDS高，pH低，SI 1泉华：开系统中的地下水以泉出露地表（从溶洞流出），CO2溢出，Pco2降低，在泉口附近形成CaCO3 或 CaMg(CO3)2 沉淀第30页/共114页岩溶地下水系统开闭性对地下水的影响闭系统特征：PCO2不断下降。判据流量、水位动态对旱雨季无明显响应地下水中无来自地表的污染物（NO3、Cl、细菌）地下水中计算PCO2较低第31页/共114页岩溶地下水系统开闭性对地下水的影响闭系统PCO2快速下降，对方解石白云石溶解能力降低，达到饱和相对困难HCO3与pH呈非线性,pH增加HCO3增加很少HCO3,Ca,TDS

22、低，pH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第33页/共114页岩溶地下水系统矿物溶解顺序对地下水的影响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3种溶解顺序白云石方解石方解石白云石同步溶解第34页/共114页第一种溶解顺序：白云石方解石先遇白云石，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原因Kc=Ca2+CO32-Kd=Ca2+Mg2+CO32-2 Ca2+CO32-2T=10 C时，Kd =Kct Kc；即白云石饱和后，水流经方解

23、石时出现沉淀t 10 C时，Kd 白云石，故方解石先饱和而沉淀，白云石继续溶解；结果：地下水中的Ca2+与Mg2+的摩尔浓度之比初始值高，后来逐渐渐低；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，方解石的溶解就更难了，最终形成的地下水中的Ca2+与Mg2+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，则第37页/共114页碳酸盐岩地区其他因素对地下水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，但碳酸盐岩区的主要矿物方解石与白云石恰好相反，而且溶解度随水温变化较大。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

24、、TDS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，可能产生方解石和白云石沉淀，地下水的TDS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地下常温带时，将达到过饱和，从而产生CaCO3沉淀，地下水中的TDS将小于地表附近的入渗水。第38页/共114页碳酸盐岩地区其他因素对地下水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；石膏与硬石膏的存在将引起同离子效应，使HCO3-含量下降。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Ca2

25、+、Mg2+、HCO3-的活度系数，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；这也会增加碳酸盐矿物的溶解度。第39页/共114页碳酸盐岩地区其他因素对地下水的影响PHREEQC的应用课堂案例4：TDS对络合物的影响第40页/共114页复杂沉积岩系统地下水化学成分形成和演变复杂沉积系统岩石地层：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的互层矿物种类比较齐全影响地下水成分的重要因素水与各种岩石的相遇顺序第41页/共114页相遇顺序(1)假定通过灰岩、石膏、砂岩和页岩四种岩石，第1种顺序：方解石溶解低TDS,HCO3-Ca石膏溶解，同离子效应，方

26、解石过饱和高TDS,SO4HCO3-Ca石英、长石少量溶解，成分变化不明显蒙脱石中的Na被Ca交换，水中Na增加 SO4-Na复杂沉积岩系统地下水化学成分形成和演变第42页/共114页石英、长石不全等溶解低TDS,HCO3K少量由于Ca少，不交换成分变化不明显HCO3-Ca方解石溶解石膏溶解，同离子效应，方解石沉淀，HCO3降 SO4-Cal相遇顺序(2)仍然通过灰岩、石膏、砂岩和页岩四种岩石，但为第2种顺序：复杂沉积岩系统地下水化学成分形成和演变第43页/共114页结晶岩区地下水化学成分形成和演变结晶岩形成于地壳深部高温高压环境的岩浆岩和变质岩，结晶程度高，含石英、长石、云母等硅酸盐矿物；鉴

27、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、伊利石等粘土矿物。结晶岩地区地下水的特点以HCO3-、Na+为主，其次为Ca2+、Mg2+，SiO2含量较高，TDS低；沿水流途径，优势阴离子向SO4、Cl转化不明显，水化学类型为HCO3-Na。第44页/共114页结晶岩区地下水化学成分形成和演变分析方法矿物稳定场图法对于岩浆岩地区绝大部分水点位于高岭土场区内；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水文地球化学模拟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；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

28、向地球化学模拟来计算反应过程中原生矿物的反应量。例题：P113-表3-7第45页/共114页矿物稳定场图第46页/共114页结晶岩区地下水化学成分形成和演变PHREEQC的应用课堂案例5：硅酸盐平衡矿物溶解的反向模拟例题：P113-表3-7第47页/共114页三种渗入成因的地下水NaHCO3型水（苏打水）Na/Cl 1；(Na-Cl)/SO4 1 Na2SO4型水 Na/Cl 1；(Na-Cl)/SO4 7，一般在8左右）软水或极软水矿化度多在0.6 g/L以上第49页/共114页NaHCO3型水苏打水形成作用与条件1、阳离子交替吸附作用条件灌溉地段洗盐：潜水盐化使Na+的浓度增大，使土壤中富

29、含吸附状Na+，而用HCO3-Ca水灌溉时，可出现阳离子交替吸附作用，形成苏打水。在滨海平原发生海退作用后，在海退不久的地方，富含Ca2+的陆地水与富含吸附状Na的刚形成的海相粘土质沉积物进行上述阳离子交替吸附作用，形成苏打水。第50页/共114页NaHCO3型水苏打水形成作用与条件2、脱硫酸作用在封闭还原环境中，脱硫酸菌参与脱硫酸作用，水中SO42-减少乃至消失，出现H2S，形成苏打水。条件发生在湖泊、海洋底部淤泥沉积物中，沼泽及盆地深部承压含水层中，尤其是油田水中，在上述情况中，Na+常为主要阳离子；如果水中不仅主要含有Na+，还含有较多的Ca2+、Mg2+，那么只有在Ca2+、Mg2+以

30、磷酸盐矿物的形式沉淀后，才会出现苏打水，即只有在这些水相对于磷酸盐矿物饱和以后，才有可能形成苏打水。第51页/共114页形成作用与条件3、风化作用原理含Na的铝硅酸盐矿物（如斜长石）在含CO2的大气降水作用下发生水解，水中出现Na+和HCO3-上述情况常见于侵入岩的风化壳中反应方程Na0.62Ca0.38Al1.38Si2.62O8+1.38CO2+4.55H2O=0.69Al2Si2O5(OH)4+0.62Na+0.38Ca2+1.24H4SiO4+1.38HCO3-NaHCO3型水苏打水第52页/共114页形成过程含钠长石的侵入岩区，与含SO42-、CO2的渗入成因地下水，发生相互作用可形

31、成Na2SO4型水。地壳表层处于氧化条件的苏打水入渗至深部的硫化矿床及含煤地层（常含有硫化物）中，也可形成Na2SO4型水。其形成是由于与矿体或含煤地层接触反应，硫化物被氧化，产生SO42-，使水中SO42-含量剧增，pH降低，形成Na2SO4型水。在含芒硝的盐矿区可见到Na2SO4型水，这种情况下水中常含有Cl-，水的TDS可达40100g/l；在冬季，芒硝矿区出露的泉水在泉口易形成盐华（芒硝的溶解度曲线在34.1处为拐点）。Na2SO4型水第53页/共114页形成过程苏打水与硫酸镁型水相混合，经混合作用形成MgCO3沉淀与Na2SO4型水。苏打水在流经含石膏地层时将沉淀形成更难溶的方解石，

32、以及Na2SO4型水。阳离子交替吸附：在石膏区形成的SO4-Ca型水如进一步通过含吸附态Na+的粘性土，经阳离子交替过程后形成Na2SO4型水。Na2SO4型水CaSO4+2Na+=Na2SO4+2Ca2+第54页/共114页概述自然界98%的地下水属卤水、盐水和咸水，其水化学类型以氯化物型为主；自然界也可形成氯化物型的淡水，如四川沙沟村的Cl-Na型水，TDS仅0.264g/l。NaCl型水淡水：TDS 50gL。第55页/共114页形成过程在侵入岩风化壳中经常含有一定量的Cl-Na水，这里钠离子由含钠的铝硅酸盐矿物水解而进入地下水中，Cl-则是矿物结晶格架中分散状的Cl遭受破坏进入水中；侵

33、入岩一般贫Cl-，故水的rCl rNa。这种方式形成的水蒸发浓缩时，常变为Cl-Na型咸水，但仍保持rCl Na+SO42-Mg2+Ca2+K+HCO3-Br-有机质含量：0.22.7mg/L第62页/共114页海相淤泥的组成及沉积环境特征海相沉积物的组成陆源的泥沙海水沉淀产生的化学沉积物海水沉淀产生的生物堆积 有机质、各种微生物；有机质、各种微生物；海相淤泥的海相淤泥的C Corgorg含量为0.27%0.27%；多处于还原环境多处于还原环境富含有机质和微生物的嫌氧的还原环富含有机质和微生物的嫌氧的还原环境境垂向上，海相淤泥距水表面数厘米以下，即由氧化环境转为还原环境；横向上，由海盆地边缘向

34、中央，沉积物由偏氧化的环境转为偏还原的环境第63页/共114页海相淤泥沉积物中发生的各种地球化学作用沉积水（淤泥水）的变质作用 脱硫酸作用脱硫酸作用 阳离子交替吸附作用阳离子交替吸附作用 碳酸盐矿物的沉淀碳酸盐矿物的沉淀 反硝化作用反硝化作用 有机物的分解有机物的分解 金属硫化物的沉淀金属硫化物的沉淀第64页/共114页脱硫酸作用海相淤泥水中的 SO42-被有机物和微生物还原，生成H2S和S2-；SOSO4 42-2-+2C+2H+2C+2H2 2O O H H2 2S S +2+2HCOHCO3 3-SOSO4 42-2-+4H+4H2 2 S S2-2-+4+4HH2 2OO S S2-2

35、-+4+4HH2 2O O HS HS-+OH+OH-结果水中SOSO4 42-2-消失，出现HH2 2S S和HCOHCO3 3-，pH增大 注意：注意：有机质很少的淤泥水几乎不发生还原，埋藏几十万年，成分仍与海水相似第65页/共114页阳离子交替吸附作用过程浅海盆地发生海侵时，富含交换性Ca2+的陆源沉积物与Na+占优势的海水相作用，发生交替吸附反应；河流带入近海的泥沙沉积物也富含交换性Ca2+，同样可与Na+发生交换反应。2NaCl+CaX=CaCl2+2NaX结果水中Na+减少，Ca2+增多。条件Na+吸附能力 Ca2+，此反应才能进行。第66页/共114页碳酸盐的沉淀导致碳酸盐沉淀的

36、两种作用：脱硫酸作用使水中HCO3-含量和pH上升阳离子交换作用使水中Ca2+含量上升Ca2+OH-+HCO3-CaCO3+H2OCa2+Mg2+2OH-+2HCO3-CaMg(CO3)2+2H2OFe2+OH-+HCO3-FeCO3+H2O结果：水中Ca2+、Mg2+、Fe2+和HCO3-产生沉淀，含量减小；Ca2+含量减少，又会影响阳离子交替吸附；水中Na+更少，Na、Cl的摩尔比下降。第67页/共114页反硝化作用原理 2NO2NO3 3-+2C+2e+2C+2e N N2 2+2CO+2CO3 32-2-COCO3 32-2-+H+H+HCO HCO3 3-结果水的pH值增高，出现HC

37、O3-和CO32-淤泥水中硝酸根含量一般较低，此作用一般影响不大第68页/共114页有机物质的分解脱硫酸作用与反硝化作用最终产生N2、H2S细胞及蛋白质分解最终产生CH4、NH4+、H2许多海生生物中经常含有I及一定量的Br随着有机物的分解，I和Br，特别是I将进入淤泥水，使水的I含量大为增加，Br含量有所增加第69页/共114页金属硫化物的沉淀原理 S S2-2-+Fe+Fe2+2+nH+nH2 2O O FeSn FeSnHH2 2OO(水陨硫铁矿水陨硫铁矿)结果H2S消失如水中不含Fe2+或Fe2+较少时，H2S在水中聚集第70页/共114页海相淤泥沉积物地球化学作用小结上述六种作用对主

38、要离子含量的影响HCO3-l脱硫酸作用增加l碳酸盐矿物的沉淀减少l反硝化作用增加SO42-l脱硫酸作用减少Cl-l无作用影响基本不变Ca2+l阳离子交换作用增加l碳酸盐矿物的沉淀减少Mg2+l碳酸盐矿物的沉淀减少Na+l阳离子交换作用减少第71页/共114页海相淤泥沉积物地球化学作用小结上述六种作用：开始于海盆沉积的初期，即在海相沉积物形成之初就开始了；经过上述作用，将形成三种不同的海相淤泥水：与海水组成非常相似的淤泥水淤泥中不含或含少量有机物，陆源泥沙的相对含量低；水化学组分未经脱硫酸作用与阳离子交换作用的明显改造几乎不含SO42-的氯化物水，阳离子以Na、Mg为主淤泥中含大量有机物，陆源泥

39、沙的相对含量低；水化学组分经脱硫酸作用改造，但未经阳离子交换作用的明显改造几乎不含SO42-的氯化物水，阳离子以Na、Ca为主淤泥中含大量有机物，陆源泥沙的相对含量高；水化学组分经脱硫酸作用改造，经阳离子交换作用改造第72页/共114页海相淤泥水在形成后期的其他水化学过程蒸发浓缩作用海相沉积水的判别依据通过蒸发浓缩过程中残余海相沉积水的水化学特征来判断；在海相沉积水的蒸发浓缩过程中，CaSO4、NaSO4、NaCl、MgSO4、KCl、MgCl2依次析出，水中的主要离子的含量在各阶段变化不一致；但Br、Li、B、Rb、I等微量元素的含量在各阶段均上升明显；Br是唯一不参与成岩作用的离子；虽然B

40、r在NaCl析出阶段会以Cl的类质同象元素的方式沉淀，但最终仍有86%的Br将留在海相沉积水中。因此Br可作为海相沉积水浓缩程度的标志。第73页/共114页 次生白云岩化作用海水或海相沉积水经高度蒸发浓缩作用，在石盐沉淀后，形成高镁含量的卤水；这种卤水与深部环境的石灰岩作用，将形成白云岩；2CaCO3+MgCl2=CaMg(CO3)2+CaCl2实验表明次生白云岩化作用发生于100以上的环境条件下。海相淤泥水在形成后期的其他水化学过程第74页/共114页CaCl2型水的形成与分布高矿化度的CaCl2型地下水常见于地壳深部地壳深部高矿化度的地下水一般为Cl-Na型水或Cl-Ca型水苏林把CaCl

41、2型水划归为“深成环境”美国某地卤水四川盆地黑卤第75页/共114页深部高矿化度CaCl2型水的水化学特征与赋存特征一般而言，CaCl2型水在地壳深处较为稳定在与地壳上部浅层水相隔绝的水文地质条件封闭的嫌氧环境中，CaCl2型水可以很好地保存在含水层中围岩的岩性决定了CaCl2型水的矿化度上限围岩围岩最高矿化度最高矿化度正常盐度条件下沉积的碳酸盐岩正常盐度条件下沉积的碳酸盐岩100100120120g/Lg/L含石膏的地层含石膏的地层200200250250g/Lg/L含厚层石盐或钾盐的地层含厚层石盐或钾盐的地层500500700700g/Lg/L第76页/共114页用溶解作用无法解释高矿化度

42、CaCl2的来源可以用溶解作用解释埋藏于深部的高矿化度地下水中NaCl、KCl的来源，但无法解释CaCl2的来源。因为很少有岩石直接含有CaCl2这种盐类矿物深部高矿化度CaCl2型水成因第77页/共114页深部高矿化度CaCl2型水成因沉积说 基本观点：基本观点：CaCl2型水是沉积-埋藏水与沉积物之间相互作用的产物 两个不同的看法：两个不同的看法：A、阳离子交替吸附作用：在海侵过程中发生2NaCl+Ca2+（吸附）=CaCl2+2Na+（吸附）NaCl 的最大溶解度为350g/l，CaCl2溶液的矿化度只有 332g/L只适于解释M Na+Mg，形成CaCl2型水深部高矿化度CaCl2型水

43、成因钠长石化说第80页/共114页以前苏联学者杰尔普戈茨为代表在地幔带存在原生成因的“水氯圈”，地球深部所有以Cl-为主要阴离子的天然高矿化度水均来源于此圈；当这些内生的氯化物水溶液受地球内部应力作用由下至上运动时，Ca、Mg离子通过介质空隙的能力低于Na、K。从而使地壳较深处的氯化物型高矿化水偏钙质。深部高矿化度CaCl2型水成因内生说第81页/共114页表生带CaCl2型水的形成地壳表层含水介质中，高矿化度的CaCl2水难以稳定存在表生带经常有渗入成因的Na2SO4型水、MgSO4型水和NaHCO3型水，如与高矿化度的CaCl2相遇，可使大部分Ca2+从水中沉淀存在地区侵入岩风化壳特点矿化

44、度低Cl稍大于Na+Mg第82页/共114页侵入岩风化产物粘性土中的潜水（少见）Na+交替了风化产物粘性土吸附的Ca2+，使Ca2+进入水中中亚细亚地区表生带CaCl2型水的形成第83页/共114页渗入成因与沉积成因水的区分Cl-Na(Ca)组分含量渗入成因的TDS较低，Br较低组分的比例系数：Na/Cl比值=0.85 大洋水 1 渗入水Cl/Br比值=300 大洋水 300 海相含盐沉积岩区的渗入水第84页/共114页同位素(D、18O)定义Rm为样品的同位素比值Rs为标准样品的同位素比值R=X重/X轻 （R同位素比值）Craig方程渗入成因的Cl-Na水：多位于Craig降水直线附近沉积成

45、因：多在偏离Craig降水直线渗入成因与沉积成因水的区分Cl-Na-(Ca)第85页/共114页第86页/共114页岩浆成因地下水第87页/共114页几个基本概念岩浆成因地下水在狭义上，岩浆成因地下水是指由岩浆直接分异出来的水；在广义上，指地下水的组分或水温受到了岩浆活动的影响即与岩浆活动有关的地下水。在岩浆的高温作用下自岩石中脱出的水（即变质成因水）；地下水在深循环后受到地球深部局部熔融体的烘烤，其温度与岩浆活动有关；此时异常高的水温可使地下水从围岩中获得常温时难以大量溶滤的组分，使其表现出与常温地下水不同的水化学特征。第88页/共114页第89页/共114页几个基本概念地热资源指在当前技指

46、在当前技术经济和地和地质环境条件下，地壳内能境条件下，地壳内能够科学、合科学、合理地开理地开发出来的岩石中的出来的岩石中的热能量和地能量和地热流体中的流体中的热能量及其能量及其伴生的有用伴生的有用组分。分。地热显示火山爆火山爆发最强烈的地热显示火山爆发时常有大量的高温水气一同喷出地表，这可称为真正意义上的火山成因水地下赋存热水或地表有热泉出露地热异常热流值高于全球平均值热流值：单位时间内通过地球表面单位面积散失的热量全球平均热流值：5.95.96.3106.310-6-6J/(J/(2 2*s)*s)第90页/共114页几个基本概念地热的来源岩浆活动地温梯度：与太阳辐射没有直接联系，主要来源于

47、地球内部铀238238、铀235235、钍232232和钾4040等放射性元素衰变产生的热能 通常，在地下增温层，平均深度每增加100100m m，温度就上升33。把地温增高11所需深度，叫做地热增温率。地热增温率的全球平均值是3333m m。变温层：地表2020m m之下地温受太阳辐射影响的地带；常温层：变温层之下的薄层，地温常年不变；（中国北方：厚度3030m m）增温层：按照地温梯度温度随深度增加的地带，在常温层之下。第91页/共114页地下热水系统的地球化学温标含量受温度控制并与温度存在相关性的，用于推测和判断热储（即含热水的含水层）温度的元素、组分或它们之间的比值，可作为温度指示计使

48、用。各种地球化学温标建立的基础是：地热流体与矿物在一定温度条件下进行反应，随后，在地热流体温度降低时，某些元素的含量或含量比值仍然保持不变或变化极小。SiO2温标；K-Na温标；Na-K-Ca温标；K-Mg温标。几个基本概念第92页/共114页地球化学温标钾镁地热温标它代表深度不大的热水贮集系统的热动力平衡条件，尤其适用于中低温地热田。计算公式为：式中：T热储温度，；C1水中钾的浓度，mg/L；C2水中镁的浓度，mg/L。第93页/共114页地球化学温标钾钠地热温标 它代表深度较大的热水贮集系统的热动力平衡条件。计算公式为：式中：T热储温度，；C1水中钾的浓度，mg/L；C3水中钠的浓度，mg

49、/L。第94页/共114页研究意义岩浆成因地下热水可作为反映地球内部地质过程的“望深镜”，为内生水以及深部地质过程的研究提供有重要价值的信息；岩浆成因地下热水的水温远远高于其他成因的热水，对工农业生产有重要意义；岩浆成因地下热水常含有许多对人体有益的微量元素和气体组分，可作为医疗或饮用矿水，有重要的开采价值。第95页/共114页岩浆成因热水的初步认识热水（以岩浆为热源）中水的来源：20世纪30-40年代，林格仑（Lingren）认为现代火山区的高温水是100%的初生水，即直接由岩浆分异出来的水；20世纪50年代，一些苏联学者（以奥弗琴尼柯夫为代表）认为热水是受地球内热烘烤的自流盆地型重力水，其

50、中初生水的百分含量不到5%（后来被同位素证据证实：D、18O）；D.E.White认为热水中初生水的比例应在10%以上；冰岛某海边热泉水的计算结果显示：57%海水+18%降水+25%初生水（热均衡计算：水温来源于入渗水所获得的传导热流及高温初生水带来的热量）由于纯粹的初生水样无法获取，上述数据的精确程度难以判断第96页/共114页热水中的溶解物质：常见组分Na、K、F、Fe、Si（异常高）Ca、Mg（异常低）其他组分V、Li、As、Br、B、Ge、Ga、Al、Rb气体组分CO2、H2S、H2、N2、CH4溶解物质来源：岩浆分异出来的物质变质成因的物质溶滤围岩获得的物质其他成因水的混合作用加入的