水文地质学基础-第6章-地下水的化学成分及其形成作用ppt课件.ppt

Fundamentals of Hydrogeoloy 水文地质学基础水文地质学基础第第6章地下水的化学成分章地下水的化学成分及其形成作用及其形成作用中国地质大学中国地质大学 水文地质学基础教学组水文地质学基础教学组 佛鸣一鼎提供，佛鸣一鼎提供，更多地大资料更多地大资料qq:605734043 内部资料及历年真题内部资料及历年真题6.1地下水的化学成分地下水的化学成分Company L6.3总矿化度与地下水化学成分分类总矿化度与地下水化学成分分类6.2地下水化学成分的形成作用地下水化学成分的形成作用本章内容本章内容6.0 概述概述一、一、地下水化学成分的特点：地下水化学成分的特点：地下水不是纯的地下水不是纯的H2O，而是，而是成分复杂天然溶液成分复杂天然溶液。水是良好的溶剂，在空隙中运移时，可溶解岩石中的成分。水是良好的溶剂，在空隙中运移时，可溶解岩石中的成分。在自然界在自然界水循环过程水循环过程中，地下水与大气圈、水圈与生物圈中，地下水与大气圈、水圈与生物圈同时发生着水量和同时发生着水量和化学成分的交换。化学成分的交换。化学性质化学性质：气体成分、离子成分、胶体物质、有机质等。：气体成分、离子成分、胶体物质、有机质等。6.0 概述（续概述（续1）二、地下水化学成分研究的意义二、地下水化学成分研究的意义理论上：揭示地下水的形成和起源理论上：揭示地下水的形成和起源地下水的化学成分是地下水与环境（自然地理、地质背景以及地下水的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。一个地区地下水的化学面貌，人类活动）长期相互作用的产物。一个地区地下水的化学面貌，反映了该地区地下水的历史演变。反映了该地区地下水的历史演变。 研究地下水的化学成分，可以回溯一个地区的水文地质历史，研究地下水的化学成分，可以回溯一个地区的水文地质历史，阐明地下水的起源与形成。阐明地下水的起源与形成。实际应用：水质评价实际应用：水质评价不同的用水目的在利用地下水时，对水的质量有一定要求（如：不同的用水目的在利用地下水时，对水的质量有一定要求（如：饮用水、锅炉用水、地下水对混凝土的侵蚀性等）饮用水、锅炉用水、地下水对混凝土的侵蚀性等）三、研究方法：三、研究方法：研究地下水的研究地下水的化学成分与作用化学成分与作用必须与地下水的必须与地下水的流动条件流动条件结合结合Company L6.1地下水的化学成分地下水的化学成分一、地下水中常见的气体成分一、地下水中常见的气体成分氧（氧（O2）、氮（）、氮（N2）、二氧化碳（）、二氧化碳（CO2）硫化氢（硫化氢（H2S）、甲烷（）、甲烷（CH4），），常见气体成分与地下水所处环境和地下水来源有关常见气体成分与地下水所处环境和地下水来源有关二、地下水中主要离子成分二、地下水中主要离子成分地下水中含量多的有七种离子地下水中含量多的有七种离子阴离子：阴离子： HCO3- ， SO42- ， Cl- 阳离子：阳离子： Ca2+, Mg2+, K+, Na+Company L6.1.1气体成分气体成分地下水中常见的气体成分地下水中常见的气体成分1、氧（氧（oxygen, O2）、氮（）、氮（nitrogen, N2）起源起源：大气圈，随降水入渗进入含水层中，如富含：大气圈，随降水入渗进入含水层中，如富含O2与与N2 说明地下水是大气起源的，说明地下水是大气起源的，氮氮还有生物起源与变质起源还有生物起源与变质起源环境环境：在封闭环境下，氧被耗尽只剩下：在封闭环境下，氧被耗尽只剩下N2，指示水是大气起源且，指示水是大气起源且处于封闭环境处于封闭环境2、硫化氢（硫化氢（H2S）、甲烷（）、甲烷（methane, CH4）这两种气体都是在较封闭环境中，在有机质与微生物参与的这两种气体都是在较封闭环境中，在有机质与微生物参与的生物生物化学过程化学过程中形成。还原环境下：中形成。还原环境下：SO2-4 H2S，成煤过程，煤田水，成煤过程，煤田水成油过程，油气藏，油田水成油过程，油气藏，油田水Company L6.1.1气体成分（续气体成分（续1）3、二氧化碳（二氧化碳（CO2）大气降水中的大气降水中的CO2含量较低，地下水中含量较低，地下水中CO2主要主要源于源于土壤层土壤层（入渗过程溶于水中）：有机质残骸发酵产生、（入渗过程溶于水中）：有机质残骸发酵产生、植物呼吸作用产生植物呼吸作用产生碳酸盐岩地层碳酸盐岩地层：在深部高温下，也可变质生成：在深部高温下，也可变质生成CO2 人类活动人类活动：在化石燃料（煤、石油、天然气），导致：在化石燃料（煤、石油、天然气），导致大气中的大气中的CO2增加，（增加，（增长增长20%）地下水中地下水中CO2增加，水对碳酸盐岩的溶解、结晶岩增加，水对碳酸盐岩的溶解、结晶岩风风化溶解能力愈强！化溶解能力愈强！Company L6.1.1气体成分（续气体成分（续2 ）地下水中气体成分的地下水中气体成分的意义意义： 气体成分气体成分指示地下水所处的地球化学环境指示地下水所处的地球化学环境 氧化环境氧化环境 oxidation 还原环境还原环境 deoxidation 气体成分气体成分可以增加水对盐类的溶解能力可以增加水对盐类的溶解能力促进水促进水岩的化学反应，相互作用岩的化学反应，相互作用Company L6.1.2主要离子成分主要离子成分水中离子成分主要取决于：水中离子成分主要取决于：元素的丰度元素的丰度（克拉克值（克拉克值)：某元素在地壳化学成分中的：某元素在地壳化学成分中的重量百分比；重量百分比；元素组成的化合物在水中的溶解度元素组成的化合物在水中的溶解度地壳中主要元素有哪些？地壳中主要元素有哪些？地壳中丰度较高的元素：地壳中丰度较高的元素：Si、Al、Fe （地下水中低）（地下水中低）地壳中丰度较低的元素：地壳中丰度较低的元素：Cl、S、C （地下水中高）（地下水中高）地下水中地下水中主要离子主要离子有：有：Anion 阴离子：阴离子：HCO-3、SO2-4、Cl- Cation 阳离子：阳离子：Ca2+、Mg2+、K+、Na+ Company L6.1.2主要离子成分（续主要离子成分（续1）主要离子构成的盐类溶解度有关主要离子构成的盐类溶解度有关（参见（参见52页表页表6-1）：碳酸盐类碳酸盐类 硫酸盐类硫酸盐类 氯化物氯化物常见离子在水中的相对含量与地下水中的总固体溶解物常见离子在水中的相对含量与地下水中的总固体溶解物（TDS）或或矿化度矿化度有关：有关：矿化度矿化度(g/L) :低低(1)中中(1-10)高高(10-30)阴阴 离离 子子: HCO3-SO42-Cl- 阳阳 离离 子子: Ca2+Ca2+,Mg2+Na+,K+ 水中阴离子在地下水水流过程的（分布）变化水中阴离子在地下水水流过程的（分布）变化Company L+Cl-+SO42-+HCO3-6.1.2主要离子成分（续主要离子成分（续2）地下水水流过程的阴离子变化地下水水流过程的阴离子变化Company L6.1.2主要离子成分（续主要离子成分（续3）低矿化度水中的常见离子低矿化度水中的常见离子： HCO HCO3 3- -，CaCa2+2+，MgMg2+2+，常来源，常来源于沉积盐岩、岩浆岩、变质岩的风化溶解于沉积盐岩、岩浆岩、变质岩的风化溶解高矿化度水中的常见离子高矿化度水中的常见离子：ClCl- -,Na,Na+ +,K,K+ +，沉积盐岩（钠盐、，沉积盐岩（钠盐、钾盐）的溶解、变质岩风化溶解，海水影响，人为污染钾盐）的溶解、变质岩风化溶解，海水影响，人为污染中等矿化度的常见离子中等矿化度的常见离子：SOSO4 42-2-：沉积盐类溶解、金属硫化物的氧化、火山喷发沉积盐类溶解、金属硫化物的氧化、火山喷发H H2 2S S气体氧化、人类活动气体氧化、人类活动燃烧煤产生大量燃烧煤产生大量SOSO2 2，SOSO2 2 氧化氧化后形成之，大气中后形成之，大气中SOSO4 42-2-过高时，降过高时，降“酸雨酸雨”地下水中主要离子成分地下水中主要离子成分来源来源Company L6.2地下水化学成分的形成作用地下水化学成分的形成作用溶滤作用溶滤作用水岩相互作用时发生水岩相互作用时发生浓缩作用浓缩作用蒸发排泄时发生蒸发排泄时发生脱碳酸作用脱碳酸作用在温度与压力发生变化时产生在温度与压力发生变化时产生脱硫酸作用脱硫酸作用在还原环境下发生：在还原环境下发生：SO42- H2S阳离子交替吸附作用阳离子交替吸附作用岩土表面吸附的阳离子与水中岩土表面吸附的阳离子与水中 阳离子发生交换阳离子发生交换混合作用混合作用 2种不同类型地下水混合时发生种不同类型地下水混合时发生人类活动的作用人类活动的作用影响越来越大影响越来越大Company L6.2.1溶滤作用溶滤作用1.定义定义：水与岩土相互作用下，岩土中某些组分向地下水中水与岩土相互作用下，岩土中某些组分向地下水中转移转移的过程的过程。其结果是：岩土。其结果是：岩土失去失去部分可溶物质，地下水中部分可溶物质，地下水中获得相应获得相应的化学成分使水中的化学成分使水中TDS。CaCO3 + H2O + CO2 2HCO3- + Ca2+ (固固)(水水)(气气) 2.影响因素影响因素-（水岩作用）（水岩作用）6.2.1溶滤作用溶滤作用影响因素影响因素 岩土岩土- 化学组分化学组分 （如：石灰岩（如：石灰岩 HCO3-Ca水、花岗岩水、花岗岩HCO3-Na水水)组分的可溶性组分的可溶性 （溶解度、溶解速度）（溶解度、溶解速度）盐分溶解度的差异导致易溶先进入水中，难溶的后进入水中盐分溶解度的差异导致易溶先进入水中，难溶的后进入水中 岩土的空隙性岩土的空隙性 水水-水的溶解能力（水的溶解能力（TDS，O2、CO2气体组分），水的流动性气体组分），水的流动性a.水中已溶组分的多少水中已溶组分的多少b.水中某些气体组分水中某些气体组分思考：思考：通常刚渗入到地下的水，矿化度很低，随着水在地下含水岩层通常刚渗入到地下的水，矿化度很低，随着水在地下含水岩层的运移，不断有新的盐份溶解到水中，水中的运移，不断有新的盐份溶解到水中，水中TDS，水的溶解，水的溶解能力下降，最终水的溶解能力能力下降，最终水的溶解能力0，溶滤作用是否会停止？溶滤作用是否会停止？Company L地下水是如何保持它的溶解能力的地下水是如何保持它的溶解能力的地下水的流动（交替）性：地下水的流动（交替）性：地下水的径流速度和交替强度（地下水的径流速度和交替强度（ V 与与 Q ）停滞与流动很缓慢的地下水，溶解能力最终会降为零，停滞与流动很缓慢的地下水，溶解能力最终会降为零，溶滤作用停止。溶滤作用停止。水如果流动速度快，水交替（更新）迅速，水如果流动速度快，水交替（更新）迅速，CO2，O2不不断被补充，低断被补充，低TDS水不断更新溶解能力已降低的水水不断更新溶解能力已降低的水如果如果某地区地下水流动很快，水交替（循环）迅速，溶滤某地区地下水流动很快，水交替（循环）迅速，溶滤作用很强烈，长期作用下去，地下水水化学特征如何？作用很强烈，长期作用下去，地下水水化学特征如何？该地区地下水中的水质该地区地下水中的水质-矿化度矿化度是高（是高（TDS）？还是低？）？还是低？水中以哪种水中以哪种阴、阳离子阴、阳离子为主？为主？6.2.1溶滤作用溶滤作用结果结果长期、强烈溶滤作用的结果，地下水以低矿化度的难溶离子为主，长期、强烈溶滤作用的结果，地下水以低矿化度的难溶离子为主，HCO3Ca水水 或或 HCO3Ca Mg这是由这是由溶滤作用的阶段性决定溶滤作用的阶段性决定！在由多种盐类组成的岩石中：！在由多种盐类组成的岩石中：早期早期，Cl盐最易溶于水中盐最易溶于水中随水带走，岩土贫随水带走，岩土贫Cl盐盐继续作用继续作用，较易溶，较易溶SO42-盐类被溶入中盐类被溶入中随水带走，贫随水带走，贫SO42-盐类盐类持续持续,（岩土中）只剩较难溶的碳酸盐类。（岩土中）只剩较难溶的碳酸盐类。因此，分析溶滤作用及其地下水的成分特征：因此，分析溶滤作用及其地下水的成分特征： 要从地质历史发展的眼光（角度）来理解要从地质历史发展的眼光（角度）来理解它是地质历史长期作用它是地质历史长期作用 的结果的结果 地下水是不断运动的地下水是不断运动的溶解的组分会被带去（岩土组分变化）溶解的组分会被带去（岩土组分变化） 前期溶滤作用前期溶滤作用溶滤什么组分，水中获得相应组分溶滤什么组分，水中获得相应组分后期溶滤作用后期溶滤作用长期强烈溶滤作用的结果是难溶成分的低矿化水长期强烈溶滤作用的结果是难溶成分的低矿化水要用地质历史的观点去考察，去分析与研究问题！要用地质历史的观点去考察，去分析与研究问题！Company L6.2.2浓缩作用浓缩作用定义：定义：地下水在地下水在蒸发排泄蒸发排泄条件下，水分不断失去，盐分相对条件下，水分不断失去，盐分相对浓集，而引起的一系列地下水化学成分的变化过程。浓集，而引起的一系列地下水化学成分的变化过程。浓缩作用（过程）浓缩作用（过程）理想的蒸发浓缩模式理想的蒸发浓缩模式Company L浓缩作用（过程）理想模式浓缩作用（过程）理想模式1.0L水水350mg/L蒸发蒸发（1）0.5L700mg/L蒸发蒸发（2）0.25L1400mg/L蒸发蒸发（3）0.125L2800mg/L0.5L水水1.0 L水水0.25L 水水6.2.2浓缩作用浓缩作用浓缩作用（过程）浓缩作用（过程）: 水份失去过程水份失去过程盐分相对浓集，化学成分的变化盐分相对浓集，化学成分的变化 （实际上与上述理想模式是不同的）（实际上与上述理想模式是不同的）地下水在蒸发过程中，水分失去还有补充；盐分积累也有地下水在蒸发过程中，水分失去还有补充；盐分积累也有补充。因此，实际的蒸发作用可以产生含盐量很高的地下补充。因此，实际的蒸发作用可以产生含盐量很高的地下水水(卤水卤水)或盐渍化的土地或盐渍化的土地浓缩作用的结果：浓缩作用的结果：往往形成高矿化度、以易溶离子为主的地下往往形成高矿化度、以易溶离子为主的地下水（水（Cl-Na+为主）为主）影响因素影响因素与蒸发排泄的影响因素相同与蒸发排泄的影响因素相同(气候气候-地下水位地下水位-土层岩土层岩性性)Company L丘陵丘陵倾斜平原区倾斜平原区低平原低平原浓缩作用浓缩作用水流迟缓水流迟缓 矿化度高、矿化度高、Cl-Na过渡区过渡区矿化度中、矿化度中、SO4-MgCa 地下水化学特征具有分带性地下水化学特征具有分带性溶滤作用溶滤作用水交替迅速水交替迅速 矿化度低、矿化度低、HCO3-Ca由于地下水化学成分形成作用受区域自然地理与地质条件的影由于地下水化学成分形成作用受区域自然地理与地质条件的影响，地下水的化学特征往往具有一定的分带性（空间上的）。响，地下水的化学特征往往具有一定的分带性（空间上的）。6.2.3脱碳酸作用脱碳酸作用（钟乳石、石笋、泉华）（钟乳石、石笋、泉华）Ca2+(Mg2+) + 2HCO3- CO2+ H2O + CaCO3结果：结果：Ca2+Mg2+HCO3-矿化度矿化度pH（略有变化）（略有变化）6.2.4脱硫酸作用脱硫酸作用(还原环境中脱硫酸细菌使还原环境中脱硫酸细菌使SO42-还原为还原为H2S）SO42- + 2C + 2H2O H2S+ 2HCO3-结果：结果：SO42-；HCO3-，pH；寻找油田的辅助；寻找油田的辅助标志。标志。6.2.5阳离子吸附交替作用阳离子吸附交替作用定义：定义：岩土颗粒表面往往带有负电荷，可以吸附某些岩土颗粒表面往往带有负电荷，可以吸附某些阳离子。当地下水与岩土表面接触时，地下水中某些阳离子。当地下水与岩土表面接触时，地下水中某些阳离子会与被吸附的阳离子发生交换，从而导致地下阳离子会与被吸附的阳离子发生交换，从而导致地下水的化学成分发生变化。水的化学成分发生变化。结果：结果：某种阳离子某种阳离子，另一种阳离子，另一种阳离子6.2.6混合作用混合作用结果不一定！结果不一定！6.2.7人为活动的作用（影响）人为活动的作用（影响）（一）废弃物污染地下水（一）废弃物污染地下水 （二）改变地下水形成条件（二）改变地下水形成条件6.3总矿化度与地下水化学成分分类总矿化度与地下水化学成分分类6.3.1地下水化学成分的分析内容地下水化学成分的分析内容 是水质评价基础是水质评价基础分为分为简分析简分析和和全分析全分析，某些专门性工作进行，某些专门性工作进行专项分析专项分析。简分析：简分析：除物理性质（色、味、嗅、透明度、悬浮物等）除物理性质（色、味、嗅、透明度、悬浮物等）主要定量分析：主要定量分析： HCO3-、SO42-、Cl-、Ca2+、 总硬度、总硬度、pH, Mg2+、 K+Na+ 及及 矿化度矿化度有时含专项分析：有时含专项分析： NO3-，NO2- ，NH4，Fe2+ Fe3+，H2S， 耗氧量等耗氧量等Company L6.3.1地下水化学成分的分析内容地下水化学成分的分析内容全分析全分析项目较多，要求精度高，通常在简分析得基项目较多，要求精度高，通常在简分析得基础上选择代表性水样进行全分析础上选择代表性水样进行全分析一般定量分析一般定量分析：HCO3-,SO42-,Cl-，Ca2+, Mg2+, K+, Na+， NO3-，NO2- ，NH4 + ，Fe2+ Fe3+，H2S，CO2, 耗耗氧量，氧量，总硬度，总硬度，pH, 及干涸残余物；某些及干涸残余物；某些微量元素微量元素、有有毒组分毒组分；研究水的侵蚀性时需分水的；研究水的侵蚀性时需分水的侵蚀性侵蚀性CO2。Company Logo6.3.2矿化度或总固体溶解物矿化度或总固体溶解物 (TDS）矿化度或总固体溶解物矿化度或总固体溶解物 (TDS）（total dissolved solids， total dissolved salt)地下水中各种离子、分子与化合物的总量称为地下水中各种离子、分子与化合物的总量称为矿化度矿化度求算方法：求算方法：105110温度下，水样烘干后的干涸残余物质，单温度下，水样烘干后的干涸残余物质，单位：位：g/L, mg/L (ppm)计算中，用全分析实验结果，阴阳离子总和减计算中，用全分析实验结果，阴阳离子总和减 1/2 HCO3-含量求算含量求算据矿化度的水样据矿化度的水样分类分类：50g/L淡水微咸水咸水盐水卤水淡水微咸水咸水盐水卤水6.3.3水化学成分的表示方法水化学成分的表示方法库尔洛夫式库尔洛夫式分式前：分式前：特殊成分、气体成分、矿化度特殊成分、气体成分、矿化度 M ，单位，单位 (g/L)分式上下分式上下：阴、阳离子（毫克当量百分数阴、阳离子（毫克当量百分数10%或称或称 视毫摩尔百分数）视毫摩尔百分数）分式后分式后：水温（水温（oC) 特点特点是直观、表示简单也较全面，可以反映水的成因类型是直观、表示简单也较全面，可以反映水的成因类型（常用方法）（常用方法）05227.871.6414853.220.03130.072CaNaSOClMCOSiOHt库尔洛夫式库尔洛夫式:前苏联学者前苏联学者C.A. 提出来的提出来的:方式：方式：将地下水中主要七种离子合并为将地下水中主要七种离子合并为6种，取含量（毫克当种，取含量（毫克当量百分数，或视毫摩尔百分含量）量百分数，或视毫摩尔百分含量）25%的离子的离子，组合定名。，组合定名。阴、阳离子阴、阳离子25%的出现情况各有的出现情况各有7种（种（7种组合）种组合）两者（阴、阳）共组合为两者（阴、阳）共组合为 77 = 49 种水型（种水型（P61，表表6-2）加上矿化度分加上矿化度分分为分为4组：组： A:TDS 40g/L如：如：B46 查表查表 中等矿化度中等矿化度 ClNaCa型型A1 查表查表 沉积岩地区浅层溶滤水沉积岩地区浅层溶滤水特点：特点：简明易查，被广泛应用简明易查，被广泛应用实习四练习实习四练习-第六章第六章 结束结束-6.3.4舒夫卡列分类舒夫卡列分类水化学形成作用水化学形成作用练习练习2 2某地区地表为厚约某地区地表为厚约10m10m的第四纪沉积物，由砂土和亚粘土组的第四纪沉积物，由砂土和亚粘土组成，下伏花岗岩岩体。成，下伏花岗岩岩体。一温泉源于花岗岩裂隙含水一温泉源于花岗岩裂隙含水层中，并通过第四系益溢出层中，并通过第四系益溢出地表，其水化学成分用库尔地表，其水化学成分用库尔洛夫式表示为：洛夫式表示为：04592103845 . 0005. 02tNaClHCOMSH01212844183742 . 0tNaCaSOHCOM已知已知 温泉补给区的地下温泉补给区的地下水化学成分的库尔洛夫表示水化学成分的库尔洛夫表示式为：式为： 问：问：（1）由补给区到排泄区，）由补给区到排泄区，地下水化学成分有哪些变化？地下水化学成分有哪些变化？（2）可能发生哪些的水化学形成作用。）可能发生哪些的水化学形成作用。