地下水的理化性质及其形成作用.ppt
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1、水文地质学 Hydrogeology,开课:地下水科学与工程教研室 主讲:姜纪沂 助教:廖 欣 联系:图405, 电话:15133637898,第四章 地下水的理化性质及其形成作用,4.1 地下水的物理性质 4.2 地下水的化学成分与特征 4.3 地下水化学成分的形成作用 4.4 地下水化学成分地下水化学资料整理与分析 4.5 地下水化学成分成因分类,4.1 地下水的物理性质,一、基本指标 地下水的物理性质是地下水的比重、温度、透明度、颜色、味、嗅味、导电性、放射性等物理特性的总和。 水温变化是影响水化学成分、水化学作用的重要因素。 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
2、难溶于水的胶体或固体微粒。 比重取决于水中溶解盐数量。溶解盐越多,地下水比重越大。一般地下水的比重接近1。据此可判别盐湖中盐类沉积层位,便于分层位开采。,4.1 地下水的物理性质,导电性取决于水中溶解的电解质,即各种离子含量和价态。离子含量越多,价数越高,则导电性越强。此外,温度也影响导电性。 放射性取决于水中放射性物质含量。放射性矿床与酸性火成岩地区的地下水具有较高的放射性。利用水中放射性突然增强可以寻找放射性矿藏。 电导率(比电导) 是指电阻率的倒数,是度量水中离子含量的指标之一。淡水的电阻率为10-110-3,咸水的电阻率比淡水的电阻率小,可根据电阻率确定滨海地区咸水和淡水分界面。,4.
3、1 地下水的物理性质,地下水中的物质及颜色:,地下水中的物质及味道:,4.1 地下水的物理性质,地下水的透明度分级:,地下水的温度分级:,4.1 地下水的物理性质,二、地下水温度的控制因素,地温受太阳辐射能的影响呈周期性的昼夜变化和年变化,随着深度的增加,变化幅度逐渐减小。,地温变化幅度趋于零的深度为常温带。,地温受地球内部热力的影响,随着深度增加而有规律地升高。,1. 地壳的热力状态分层,2. 地壳热力状态表征指标 地热梯度r:在增温带,深度每增加100m,所增高的温度值。单位为oC/100m。 地热增温级G:温度每升高1 所需增加的深度(m)称为地热增温级(单位: m /oC)。,例:已知
4、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。,4.1 地下水的物理性质,3. 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。 例:利用地下水水温,可以估算其循环深度H?,4.2 地下水的化学成分与特征,2. 研究地下水化学成分的意义 阐明地下水的起源、形成与分布规律; 阐明成矿机制,完善与丰富找矿理论; 地下水质量(环境)评价。,1. 地
5、下水成分复杂,地下水成分复杂,下渗过程中与周围岩土产生溶滤作用(岩土成分复杂),一、概述,一、概述,3. 研究学科 水文地球化学研究地下水中化学元素迁移、集聚和分布规律的科学。 研究重点地下水水质变化与地下水化学成分的形成作用。 4. 应注意问题 .离不开地下水动力学的研究 .要从与周围环境长期作用的观点出发,4.2 地下水的化学成分与特征,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:,4.2 地下水的化学成分与特征,气体: O2、N2、 H2S 、CH4、 CO2、Rn等 离子:H+, Na+, K+, Mg2+, Ca2+, Fe2+ , OH-, Cl-
6、, SO42-, NO2-, HCO3-, CO32-, 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。,(一)地下水中的气体成分 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; CO2的来源:生物化学作用;地壳深处灰岩遇热分解,4.2 地下水的化学成分与特征,1. 氧(O2)、氮(N2) (1)来源: O2 主要来源于大气; N2 三个来源:大气、生物成因、变质成因。 (2)判别
7、: O2与N2共存-来源于大气并处于氧化环境 N2单独存在-来源于大气并处于还原环境 大气中惰性气体(Ar, Kr, Xe)与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有生物或变质起源,4.2 地下水的化学成分与特征,2. 二氧化碳(CO2) 来源: 大气但含量较低,工业化城区含量高。 生物土壤有机质残骸的发酵作用与植物的呼吸作用 变质地球深部高温高压下变质生成: 人为工业发展造成(温室效应) 400 CaCO3=CaO+CO2 作用: 地下水中CO2越多,其溶解碳酸盐岩和对结晶岩进行风化作用的能力
8、越强。,4.2 地下水的化学成分与特征,3. 硫化氢(H2S)、甲烷(CH4) H2S来源: 硫酸盐还原: 硫化矿物分解: 火山喷发 H2S和CH4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。,4.2 地下水的化学成分与特征,阳离子:H+, Na+, K+, Mg2+, Ca2+, Fe2+ 阴离子:OH-, Cl-, SO42-, NO2-, HCO3-, CO32-, SiO32-, PO42-,(二)地下水中的主要离子成分,4.2 地下水的化学成分与特征,4.2 地下水的化学成分与特征,4.2 地下水的化学成分与特征,(1)氯离子
9、Cl- 特点: 含量一般为n mg/l100g/l。 Cl-不为植物和细菌摄取, 不被土壤颗粒表面吸附, 不易沉淀,溶解度大,在水中最为稳定, 随矿化度增大,其含量增大, 是水中含盐量多寡的标志。 来源: 沉积岩中盐岩、氯化物的溶解; 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。,4.2 地下水的化学成分与特征,4.2 地下水的化学成分与特征,(2)硫酸根离子SO42- 特点: SO42-地下水中总含量在阴离子中仅次于Cl-。其含量变化范围由小于1毫克至数克不等。中等矿化度的水中含量高
10、。 来源: 石膏、沉积硫酸盐岩的溶解 煤系地层中黄铁矿FeS2、金属硫化物的氧化 2FeS2 +7O2+2H2OFeSO4+ 4H+ 2SO42- 化石燃料,进入空气中形成酸雨,人为产生SO2与氮氧化物(2.02.5亿t/a) 。,4.2 地下水的化学成分与特征,(3)重碳酸根离子HCO3- 特点:含量一般不超过1gL,因为HCO3-主要来源于碳酸盐类岩石,而它的溶解度很小,只有当地下水中存在CO2时才较易溶于水。通常以HCO3-为主要成分的地下水含盐量都不高,是淡水的特征。 来源: 碳酸盐岩溶解:Ca/MgCO3+H2O+CO22HCO3-+Ca2+/Mg2+ 岩浆岩、变质岩地区铝硅酸盐矿物
11、风化溶解(钠、钙长石) Na2Al2Si6O16+2CO2+3H2O2HCO3-+2Na+ H4Al2Si2O9+4SiO2 CaO . 2Al2O3. 4SiO2+2CO2+5H2O2HCO3-+Ca2+ 2H4Al2Si2O9,4.2 地下水的化学成分与特征,(4)钠离子Na+ 特点:地下水中分布最广泛的阳离子,其含量可由每升数毫克至效十克甚至一百克以上,是高矿化度水中主要阳离子。 来源:盐岩、钠岩的溶解;海水;含钠矿物的风化溶解。 如:火成岩与变质岩中某些含钠矿物的风化溶解。 2NaAlSi3O8+2H2O+CO24H4A12Si2O9+Na2CO3+4SiO2 Na2CO3+H2O 2
12、Na+HCO3-+OH- 所以,在酸性火山岩地区可以形成HCO3Na型水。,4.2 地下水的化学成分与特征,(5)钾离子K+ 特点: 易被粘土吸附和植物吸收 参与形成不溶于水的次生矿物(水云母、蒙脱石、绢云母等) 在地下水中的含量比钠离子低,在低矿化度中甚微,而在高矿化度中较多。 来源: 钾岩沉积岩的溶解; 含钾矿物的岩石矿物风化溶解。,4.2 地下水的化学成分与特征,(6)钙离子Ca2+ 特点: 分布广,一般含量低,很少超过 l.0g/L。因其来源于地下水溶解碳酸盐类岩石,而这类岩石的溶解度很低。随含盐量增高相对含量很快减少。由于CaCl2 的溶解度相当大,所以矿化度格外高时, Ca2+可以
13、是主要阳离子。 特点: 碳酸盐的沉积物,膏盐沉积物; 岩浆岩、变质岩中含钙矿物的风化溶解。,4.2 地下水的化学成分与特征,(7)镁离子Mg2+ 特点: 地下水中分布广,含量低,通常不作为地下水的主要离子。 溶解度比Ca2+高,但含量比Ca2+低,这是因为地壳组成中Mg比Ca少, Mg2+容易被植物吸收、同时参与次生矿物的组成。 在富含铁镁矿物的超基性岩区,存在高Mg2+水。 来源: 含镁的白云岩、泥灰岩等碳酸盐类溶解; 基性岩浆岩、变质岩中含镁矿物的风化溶解。,4.2 地下水的化学成分与特征,(三)地下水中的化学性质 总溶解固体 硬度 酸碱度,4.2 地下水的化学成分与特征,1.总溶解固体
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- 地下水 理化 性质 及其 形成 作用
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