6.水文地质学基础-地下水的化学成分及其演变讲解.ppt
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1、地下水科学与工程教研室,水文地质学基础 Fundamentals of Hydrogeology,第六章 地下水的化学成分及其演变,目 录 6.1 地下水的物理性质 6.2 地下水的化学特征 6.3 地下水化学成分的形成作用 6.4 地下水化学成分的基本成因类型 6.5 地下水化学成分的分析内容与分类图示,6.1 地下水的物理性质,地下水的物理性质: 是地下水的(1)比重 (2)温度 (3)透明度 (4)颜色 (5)味觉(6)嗅味 (7)导电性 (8)放射性 等物理特性的总和。,颜色判别方法: 野外:水样与蒸馏水对比 实验室:水样与标准比色液对比,纯净的水:无色无味透明,6.1 地下水的物理性
2、质,(固体矿物质、有机物、胶体、悬浮物),悬浮固体(悬浮物)是指水中悬浮的泥砂、硅土、有机物和微生物等难溶于水的胶体或固体微粒。,6.1 地下水的物理性质,6.1.4 地下水的温度 地壳表层的热源:太阳的辐射+地球内部的热流。 地壳表层分带: (1)变温带是受太阳辐射影响的地表极薄的地带,地表下1-2m,下限15-30 m。 (2)常温带是其地温基本等于当地平均年气温的地带,高出1-2 oC。 (3)增温带是地温受地球内热影响的地带,地温梯度为n oC/100m,一般为3 oC/100m,介于1.5-4.0 oC/100m之间。西藏羊八井地温梯度为300 oC/100m(地热异常)。,6.1
3、地下水的物理性质,6.1.4 地下水的温度 地下水的温度受其赋存与循环所处的地温控制。 (1)变温带的浅埋地下水显示微小的水温季节变化。 (2)常温带中的地下水水温与当地年平均气温很接近。 (3)增温带中的地下水,其水温随其赋存与循环深度的加大而升高,可成为热水乃至蒸汽。,6.1 地下水的物理性质,地下水按水温分类,6.1 地下水的物理性质,已知年平均气温(t)、年常温带深度(h)、地温梯度(r)时,可估算某一深度(H)的地下水水温(T): T= t+(H-h)r。 利用地下水水温,可以估算其循环深度H:,水温的变化是影响水的化学成分、水化学作用的重要因素。 导电性电导率(比电导) 是指电阻率
4、的倒数,是度量水中离子含量的指标之一。,一、地下水化学成分的特点,地下水是一种成分复杂的天然溶液。,化学成分:(无机+有机)气体、离子、胶体、有机质、微生物等,6.2 地下水的化学特征,二、地下水化学成分研究的意义,理论意义:,揭示地下水的形成和起源及分布规律 查明不同含水层间的水力联系,实际应用:,水质评价(饮用水、工业用水、农田灌溉) 标记矿产资源,阐明成矿机制,完善与丰富找矿理论 地震预报 ,6.2 地下水的化学特征,6.2 地下水的化学特征,水是良好的溶剂,它溶解沿途的组分,搬运这些组分,并在某些情况下从水中析出。水是地球元素迁移、分散与富集的载体。许多地质过程都涉及地下水的化学作用。
5、不同用水,对水质有一定要求,需要进行水质评价。 工业原料:地下水中含有大量盐类(NaCl、KCl)及富集Br, I, B, Sr等。 液体矿产:特殊物理性质与化学成分-医疗保健作用。 找矿标志:特定化学元素的分布晕圈。 污染防治:物质运移、分散规律,位置。,6.2 地下水的化学特征,三、研究学科 水化学是研究天然水化学成分的形成、分布和演变的学科。 水文地球化学是研究地下水化学成分的形成和变化规律以及地下水地球化学作用的学科。 地下水水质是地下水的物理、化学和生物物质之总称。 水文地球化学环境是指控制地下水中化学成分的形成、存在形式以及演变的环境条件。 常量元素(宏量元素) 是地下水中经常出现
6、、分布最广、含量较多并能决定地下水化学基本类型和特点的元素。 微量元素是地下水中出现较少、分布局限、含量较低的化学元素。它们不决定地下水的化学类型,但却赋予地下水一些特殊性质和功能。,四、研究方法,地下水化学成分及其形成作用的研究必须结合地下水的流动条件。 .要从与周围环境长期作用的观点出发,6.2 地下水的化学特征,二、地下水的化学成分,组成地壳的87种元素,地下水中已发现70余种。存在形式:,气体: O2、N2、 H2S 、CH4、 CO2、Rn等 离子:H+, Na+, K+, Mg2+, Ca2+, Fe2+ , OH-, Cl-, SO42-, NO2-, HCO3-, CO32-,
7、 SiO32-, PO42- 胶体成分:SiO2 Fe(OH)3 Al(OH)3 有机质:可增加地下水的酸度,有利于还原。 微生物: 氧化环境:硫细菌、铁细菌等;还原环境:脱硫酸细菌等; 污染水:致病细菌。,6.2 地下水的化学特征,6.2 地下水的化学特征,6.2.1地下水中的气体成分 主要气体成分: O2、N2、CO2、CH4、H2S等。 一般含量为n-n10mg/l。 研究意义: (1)说明地下水所处的水文地球化学环境; 氧化环境oxidation 还原环境deoxidation O2、N2是氧化环境(开放、与大气相通)的标志; H2S 、CH4是还原环境(封闭、与大气隔绝)的标志; (
8、2)有些气体增加水溶解盐类的能力,促进水岩化学反应,相互作用。,6.2 地下水的化学特征,6.2.1地下水中的气体成分 一、氧(O2)和氮(N2): 来源: O2 主要来源于大气:(大气降水+地表水入渗补给) ; N2 三个来源:大气、生物成因、变质成因。 判别: O2与N2共存-来源于大气并处于氧化环境 溶解氧含量高氧化环境。,6.2 地下水的化学特征,6.2.1地下水中的气体成分 一、氧(O2)和氮(N2): 氮还有生物起源与变质起源。 N2单独存在:地下水起源于大气,且为还原环境。 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 大气中惰性气体(Ar, Kr, Xe)与
9、N2的比值: (Ar, Kr, Xe)/ N2 = 0.0118 , 则N2是大气起源 (Ar, Kr, Xe)/ N2 0.0118,则N2是生物或变质起源,6.2 地下水的化学特征,二、甲烷(CH4)、H2S : CH4和H2S 封闭、还原环境, 在有机质与微生物参与的生物化学过程中形成,其中H2S为SO42-的还原产物。 H2S来源:硫酸盐还原: 硫化矿物分解: 火山喷发 CH4和H2S的存在表明还原环境 H2S一般出现在深层地下水中,油田水中含量很高,常以此作为寻找石油的间接标志。SO4-2 H2S ,成煤过程,煤田水 成油过程,油田水,6.2 地下水的化学特征,三、 CO2 : 来源
10、: (1) 大气:降水、地表水入渗补给(含量低) (2)土壤:土壤层中有机残骸发酵、植物呼吸作用 (3)碳酸盐岩地层: CaCO3 CaO+CO2, SiO2+CaCO3 CaSiO3+CO2 (4)人类活动:工业生活应用化石燃料,产生大量的CO2,使大气中的CO2迅速增高,290ppm(1850年)增高到338ppm(1980年)。目前每年生产CO2气体53亿t,产生了温室效应。 作用:CO2高,碳酸盐岩容易溶解水侵蚀性强,结晶岩容易风化。,6.2.2 主要离子成分,地下水中离子成分及含量主要取决于:,地壳元素丰度:组成地壳的化学元素的平均含量(重量百分比) 元素组成的化合物在水中的溶解度,
11、地壳中主要元素有哪些?,地下水中主要离子,阴离子:Cl-、SO42-、HCO3-,阳离子:Na+、K+ 、Ca2+ 、 Mg2+,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),6.2 地下水的化学特征,6.2 地下水的化学特征,6.2 地下水的化学特征,盐类溶解度与温度的关系,6.2 地下水的化学特征,地下水的化学性质指标: 一 TDS/M: 溶解性总固体(TDS):溶解在水中的无机盐和有机物的总称。mg/L、g/L 习惯上以105 -110时将水干所得的涸残余物总量。 矿化度:是指地下水中各种离子、分子与化合物的总量,单位g/l。
12、 因此: 计算时挥发性成分不计入;计算中,用全分析实验结果,阴阳离子总和减 1/2 HCO-3含量求算 二 酸碱度 pH=-lgH+ 三 硬度,6.2 地下水的化学特征,按矿化度对水的分类,注:深层地下水矿化度高于浅层地下水,热水矿化度高于冷水。,6.2 地下水的化学特征,地下水中主要离子成分随总溶解固体的变化而变化。溶解度由大而小的顺序是Cl-SO42-HCO3-。 低矿化水(1)中HCO3-, Ca2+, Mg2+为主; 高矿化水(10-30)中Cl-, Na+为主; 中等矿化水(1-10)中阴离子SO42-为主,阳离子以Na+, Ca2+为主。 卤水中以CaCl2为主。,地下水中主要离子
13、成分(含量)与总溶解固体(矿化度)关系:,Company Logo,+,+,+,+ +,Cl-,+,+,+,+,SO42-,+,+,+,+,HCO3-,水中阴离子在地下水水流过程的(分布)变化:,阳离子:H+, Na+, K+, Mg2+, Ca2+, Fe2+ 阴离子:OH-, Cl-, SO42-, NO2-, HCO3-, CO32-, SiO32-, PO42-,小结:地下水中的主要离子,二. 酸碱度 地下水的酸碱度表示水中氢离子浓度大小,pH值表示。,当H+为10-7时,pH值等于7,水为中性。当H+大于10-7时,则pH值小于7,水为酸性。H+小于10-7时,pH值大于7,表明水为
14、碱性。,4.2 地下水的化学成分与特征,6.2 地下水的化学成分与特征,三. 硬 度 概念:水中Ca2+、 Mg2+的总含量。(meq/L) 目前新的国标中以CaCO3含量(mg/L)表示。 分类: 总硬度:水中Ca2+、 Mg2+的总含量 。 暂时硬度:水煮沸时(脱碳酸作用),因形成碳酸盐沉淀而失去的一部分Ca2+、 Mg2+含量 。 永久硬度:水煮沸后仍留在水中的Ca2+、 Mg2+含量,6.2 地下水的化学特征,(1)地下水中的氯离子Cl-的来源 特点: Cl-不为植物和细菌摄取, 不被土壤颗粒表面吸附, 溶解度大,在水中最为稳定,含量变化大,n mg/L-数百g/L 随矿化度增大,其含
15、量增大水迁移能力很强。 来源有:,沉积岩中岩盐、氯化物的溶解(钠盐、钾盐) 岩浆岩含氯矿物氯磷灰石Ca5(PO4)3Cl 、方钠石NaAlSiO4. NaCL的风化溶解; 火山喷发物的溶滤 海水 人为污染:工业、生活污水和粪便,二、地下水中主要离子成分的来源,二、地下水中主要离子成分的来源,SO42- 的来源:,硫酸盐的沉积岩、石膏的溶解 金属硫化物的氧化(煤系地层) 火山喷发 人类活动 产生SO2 “酸雨”,(黄铁矿),6.2 地下水的化学特征,SO42- 的特点: 水迁移能力很强,但次于Cl-; 地下水中的最高含量SO42-远低于Cl-,含量由数mg/L数十g/L。,二、地下水中主要离子成
16、分的来源,Ca2+、Mg2+、HCO3- 的来源:,泥灰岩,白云岩,钙长石,大理岩,(钙长石),6.2 地下水的化学特征,6.1 主要离子成分,二、地下水中主要离子成分的来源,沉积岩中岩盐的溶解(钠盐) 岩浆岩和变质岩的风化溶解 海水,Na+,(钠长石),钠长石,6.1 主要离子成分,二、地下水中主要离子成分的来源,沉积岩中岩盐的溶解(钾盐) 含钾矿物的风化溶解,K+,参与形成不溶于水的次生矿物(水云母、蒙脱石、绢云母等),为植物摄取,在地下水中的含量低。 来源:,在地壳中钾的含量与钠相近,钾盐与钠盐的溶解度相当,但是地下水中K+的含量比Na+要少得多。,6.2 地下水的化学特征,6.2.3
17、地下水中的其它成分 (1)次要离子:包括H+、Fe2+、Fe3+、Mn2+、NH4+、OH-、NO2-、NO-、CO32-、SiO32-、PO43-等。 (2)微量组分:Br、I、F、B、Sr等。 (3)胶体:Fe(OH)3、Al(OH)3、H2SiO3。 (4)有机质:可增加地下水的酸度,有利于还原。 (5)微生物: 氧化环境:硫细菌、铁细菌等;还原环境:脱硫酸细菌等; 污染水:致病细菌。,6.3 地下水化学成分的形成作用,一、地下水起源化学成分的特点 地下水的化学成分继承补给源的化学成分。 1. 起源于大气降水或凝结水:补给区附近为矿化度低淡水,富含O2、N2、CO2及Ar等气体。 2.
18、来源地表水: 近河湖区富含HCO3- 、SO42-;近海岸富含Cl-、Na+ 。 3. 近海岸降水: Cl-、Na+含量高。 4. 古沉积盆地的地下水: 矿化度很高,主要离子为Cl-、Na+,并含有较多的Br、I 等微量元素,具有古海水的特征,H2S含量高。,6.3 地下水化学成分的形成作用,二、地下水化学成分的形成作用 各种不同来源的地下水,在后期循环过程中,不断与与周围的介质相互作用,化学成分不断变化,结果与原始的化学成分具有很大的区别。 作用类型:溶滤作用、浓缩作用、脱碳酸作用、脱硫酸作用、阳离子交替吸附作用 、混合作用。,6.3 地下水化学成分的形成作用,水文地球化学作用是在一定地球化
19、学环境下,影响地下水化学成分形成、迁移和变化的作用。 溶滤作用水岩相互作用时发生 蒸发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 脱硝(氮)作用、硝化作用 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,6.3 地下水化学成分的形成作用,6.3.1溶滤作用 1、定义: 溶滤作用是指地下水与岩土相互作用、岩土中一部分物质转入到地下水中的作用。地下水与岩石相互作用使岩石中一部分可溶成分转入水中,而不破坏矿物结晶格架的作用。其结果是:岩土失去部分可溶物质,地下水中获得相应的
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