水文地质学地下水的物理性质和化学成分及其演变.pptx

第六章 地下水的物理性质和化学成分及其演变 碘，摄入量过低，会引起甲状腺肿大；碘，摄入量过低，会引起甲状腺肿大；氟，氟化物过高，会引起牙齿氟斑，严重的会氟，氟化物过高，会引起牙齿氟斑，严重的会引起牙齿松动、折断、脱落。过量的氟还会引起骨骼引起牙齿松动、折断、脱落。过量的氟还会引起骨骼氟中毒，即氟骨病。氟摄入量过低，又会发生龋齿病。氟中毒，即氟骨病。氟摄入量过低，又会发生龋齿病。硬度，硬度过低，会使心血管疾病的死亡率升硬度，硬度过低，会使心血管疾病的死亡率升高。高。贡，水俣贡，水俣y病。病。放射性放射性1 1）水质与人体健康）水质与人体健康1第1页/共85页第六章 地下水的物理性质和化学成分及其演变2 2）水质与农业生产）水质与农业生产标准分类标准分类 本标准根据农作物的需求状况，将灌溉水质按灌溉作本标准根据农作物的需求状况，将灌溉水质按灌溉作物分为三类：物分为三类：一类：水作，如水稻，灌水量一类：水作，如水稻，灌水量800m3/亩亩年。年。二类：旱作，如小麦、玉米、棉花等。灌溉水量二类：旱作，如小麦、玉米、棉花等。灌溉水量300m3/亩亩年。年。三类：蔬菜，如大白菜、韭菜、洋葱、卷心菜等。蔬三类：蔬菜，如大白菜、韭菜、洋葱、卷心菜等。蔬菜品种不同，灌水量差异很大，一般为菜品种不同，灌水量差异很大，一般为200500m3/亩。亩。2第2页/共85页第六章 地下水的物理性质和化学成分及其演变2 2）水质与农业生产）水质与农业生产3第3页/共85页第六章 地下水的物理性质和化学成分及其演变2 2）水质与农业生产）水质与农业生产4第4页/共85页第六章 地下水的物理性质和化学成分及其演变2 2）水质与农业生产）水质与农业生产5第5页/共85页第六章 地下水的物理性质和化学成分及其演变3 3）水质与工业生产）水质与工业生产 冷却用水：较冷却用水：较低温低温度，盐类及硬度，浑浊度，硫化氢，度，盐类及硬度，浑浊度，硫化氢，酸碱类酸碱类腐蚀性成分腐蚀性成分。蒸汽锅炉用水：水质蒸汽锅炉用水：水质硬度硬度足够小。足够小。生产技术用水：生产技术用水：纺织纺织工业要求硬度小；工业要求硬度小；淀粉淀粉工业要求工业要求不能有毒性和着色成分；不能有毒性和着色成分；酿制啤酒酿制啤酒用水不能有硫酸钙存在，用水不能有硫酸钙存在，以保障麦芽发酵；以保障麦芽发酵；葡萄酒酿造葡萄酒酿造不允许含有氯化钙和氯化镁，不允许含有氯化钙和氯化镁，以免影响酵母菌的生长；以免影响酵母菌的生长；制糖制糖用水不得含有腐败物质且矿用水不得含有腐败物质且矿化度要小。化度要小。工程建筑：具有侵蚀性的天然水对混凝土及金属结构工程建筑：具有侵蚀性的天然水对混凝土及金属结构体会产生溶滤、分解及结晶膨胀等侵蚀破坏作用。体会产生溶滤、分解及结晶膨胀等侵蚀破坏作用。6第6页/共85页第六章 地下水的物理性质和化学成分及其演变4 4）水文地球化学找矿）水文地球化学找矿 围绕盐矿、油田以及金属矿床，往往形成特定化学元素围绕盐矿、油田以及金属矿床，往往形成特定化学元素的的分散晕圈分散晕圈，可以作为找矿标志。，可以作为找矿标志。5 5）含有大量盐类的地下水是宝贵的工业原料）含有大量盐类的地下水是宝贵的工业原料 Br/Br/溴溴xixi：用于水的纯化（游泳池），制二溴乙：用于水的纯化（游泳池），制二溴乙烯（汽油抗爆震音）、阻燃剂以及其它一些溴代有机烯（汽油抗爆震音）、阻燃剂以及其它一些溴代有机化合物。化合物。B/B/硼硼pngpng：和钛钨一起制轻质抗热合金，：和钛钨一起制轻质抗热合金，也用于抗热玻璃的制造，眼睛消毒液的配制。也用于抗热玻璃的制造，眼睛消毒液的配制。Sr/Sr/锶锶ss：用于焰火，具有洋红色火焰。也用：用于焰火，具有洋红色火焰。也用于核能电池。于核能电池。6）某些具有特殊物理性质与化学成分的水具有医疗）某些具有特殊物理性质与化学成分的水具有医疗意义意义7第7页/共85页第六章 地下水的物理性质和化学成分及其演变 “地下水的功能主要包括：资源、生态环境因子、灾害地下水的功能主要包括：资源、生态环境因子、灾害因子、地质营力与因子、地质营力与信息载体信息载体。”地下水的地下水的化学成分化学成分是地下是地下水水与与环境环境自然地理、地自然地理、地质背景以及人类活动质背景以及人类活动长期相互作用的产物。一个地区长期相互作用的产物。一个地区地地下水的化学面貌下水的化学面貌，反映了该地区，反映了该地区地下水的历史演变地下水的历史演变。研究地下水的化学成分，可以帮助我们研究地下水的化学成分，可以帮助我们回溯回溯一个地区一个地区的的水文地质历史水文地质历史，阐明地下水的起源与形成阐明地下水的起源与形成。7 7）信息载体）信息载体 污染物污染物在地下水中散布，同样也会形成在地下水中散布，同样也会形成晕圈晕圈。这对于。这对于查明有关物质的迁移、分散规律，确定污染源的位置很有帮查明有关物质的迁移、分散规律，确定污染源的位置很有帮助。助。8第8页/共85页第六章 地下水的物理性质和化学成分及其演变6.2 地下水的物理性质 地下水的物理性质反映了地下水的物理性质反映了溶解和悬浮溶解和悬浮在在水中的物质成水中的物质成分分和其和其所处的地质环境所处的地质环境，也是，也是水质评价的直接指标水质评价的直接指标。地下水的物理性质通常是指地下水的物理性质通常是指温度、颜色、味、嗅、透温度、颜色、味、嗅、透明度、比重、导电性、放射性明度、比重、导电性、放射性等。等。1 1）温度）温度 地壳表层有两个热能来源：一个是地壳表层有两个热能来源：一个是太阳的辐射太阳的辐射，另一，另一是来自是来自地球内部的热流地球内部的热流。地壳表层可分为地壳表层可分为变温带变温带、常温带常温带及及增温带增温带。9第9页/共85页第六章 地下水的物理性质和化学成分及其演变变温带变温带 受受太阳辐射影响太阳辐射影响的地表极薄的带。由于太阳辐射能的的地表极薄的带。由于太阳辐射能的周期变化，呈现周期变化，呈现地温地温的的昼夜昼夜变化和变化和季节季节变化。变化。地温的昼夜变化只影响地表以下地温的昼夜变化只影响地表以下1 12m2m深。深。变温带的下限深度一般为变温带的下限深度一般为151530m30m。此深度地温年变。此深度地温年变化小于化小于0.10.1。常温带常温带地温一般比当地年平均气温高出地温一般比当地年平均气温高出1-2。在粗略计算时，。在粗略计算时，可将当地的多年平均气温作为常温带地温。可将当地的多年平均气温作为常温带地温。10第10页/共85页第六章 地下水的物理性质和化学成分及其演变增温带增温带 常温带以下，地温受地球常温带以下，地温受地球内热影响内热影响，通常随深度加大，通常随深度加大而有规律地升高。而有规律地升高。增温带中的地温变化可用增温带中的地温变化可用【地温梯度】【地温梯度】表示。表示。地温梯地温梯度度是每增加单位深度时地温的增值，一般以是每增加单位深度时地温的增值，一般以/100m为单为单位。位。温度每升高温度每升高1所需增加的深度（所需增加的深度（m）称为【）称为【地热增温地热增温级】级】（m/）一般地区为：一般地区为：33m/近代火山活动地区为：近代火山活动地区为：1m/；如西藏羊八井达到；如西藏羊八井达到0.3m/前寒武纪地区为：前寒武纪地区为：100m/11第11页/共85页第六章 地下水的物理性质和化学成分及其演变总结总结：地下水的温度受其：地下水的温度受其赋存赋存与与循环循环所处的所处的地温地温控制。控制。处于处于变温带变温带中的浅埋地下水中的浅埋地下水显示显示微小的水温季节变微小的水温季节变化化。常温带常温带的地下水水温与当地年平均气温很接近。这的地下水水温与当地年平均气温很接近。这两带的地下水，常给人以两带的地下水，常给人以“冬暖夏凉冬暖夏凉”的感觉。的感觉。增温带增温带的地下水随其赋存与循环深度的加大而提高，的地下水随其赋存与循环深度的加大而提高，成为热水甚至蒸汽。如西藏羊八井的钻孔，获得温度为成为热水甚至蒸汽。如西藏羊八井的钻孔，获得温度为160的热水与蒸汽。的热水与蒸汽。12第12页/共85页第六章 地下水的物理性质和化学成分及其演变2 2）颜色）颜色由于含有某种由于含有某种离子离子较多，或者富集较多，或者富集悬浮物质悬浮物质和和胶体物质胶体物质3 3）味）味取决于水中溶解的取决于水中溶解的盐类盐类和和有机质有机质二氧化碳二氧化碳清凉可口清凉可口重碳酸钙重碳酸钙味美可口味美可口氯化钠氯化钠咸味咸味硫酸钠硫酸钠涩味涩味氯化镁或硫酸镁氯化镁或硫酸镁苦味苦味氯化亚铁氯化亚铁墨水味墨水味有机质或腐殖质有机质或腐殖质甜味，但不宜饮用甜味，但不宜饮用氯化铁氯化铁铁锈味铁锈味13第13页/共85页第六章 地下水的物理性质和化学成分及其演变4 4）嗅）嗅取决于所含的取决于所含的气体成分气体成分与与有机物质有机物质硫化氢硫化氢臭鸡蛋臭鸡蛋腐殖质腐殖质霉味霉味亚铁离子亚铁离子铁腥味铁腥味5 5）透明度）透明度含有含有泥沙泥沙、腐殖质腐殖质等的原因等的原因6 6）比重）比重因因温度温度、矿化度矿化度不同，比重不同不同，比重不同14第14页/共85页第六章 地下水的物理性质和化学成分及其演变7 7）导电性）导电性因为含有各种离子成分因为含有各种离子成分离子浓度越高，温度越高，导电性越强离子浓度越高，温度越高，导电性越强 根据地下水的导电性，可以区分根据地下水的导电性，可以区分含水层含水层和和隔水层隔水层、矿水矿水和和淡水淡水，也可以根据，也可以根据导电性导电性圈定富水地带，寻找圈定富水地带，寻找断裂破碎带断裂破碎带8 8）放射性）放射性取决于其中放射性物质的含量取决于其中放射性物质的含量 地下水按放射性元素的含量（地下水按放射性元素的含量（g/L）分为强放射性）分为强放射性水，中等放射性水和弱放射性水水，中等放射性水和弱放射性水以镭为例以镭为例10-9g/L10-10g/L强强中等中等弱弱15第15页/共85页第六章 地下水的物理性质和化学成分及其演变8 8）放射性）放射性取决于其中放射性物质的含量取决于其中放射性物质的含量 福岛第一核电站运营商东京电力公司发言人松茂直福岛第一核电站运营商东京电力公司发言人松茂直之之3 3月月3131日说，东电日说，东电3 3月月3030日日1111时时1010分从分从1 1号反应堆地下号反应堆地下1515米处采集地下水样本。米处采集地下水样本。检测结果显示，每千克样本碘检测结果显示，每千克样本碘131131放射性活度为放射性活度为430430贝克勒尔，贝克勒尔，超过政府规定安全水平超过政府规定安全水平1 1万倍万倍。16第16页/共85页第六章 地下水的物理性质和化学成分及其演变6.3 地下水的化学特征 各种各种气体气体、离子离子、胶体物质胶体物质、有机质有机质以及以及微生物微生物等等 主要的主要的气体组分气体组分：O2、N2、CO2、H2S、CH4、H2、碳氢化合物及少量的惰性气体。碳氢化合物及少量的惰性气体。来源：来源：空气（空气（O2、N2、CO2）、生物化学（）、生物化学（H2S、CH4、N2、CO2），化学及核反应（），化学及核反应（He、Rn）气体成分气体成分存在的意义存在的意义：气体成分能够说明气体成分能够说明地下水所地下水所处的地球化学环境处的地球化学环境；地下水中的有些气体会地下水中的有些气体会增加水溶解增加水溶解盐类的能力盐类的能力，促进某些化学反应促进某些化学反应。17第17页/共85页第六章 地下水的物理性质和化学成分及其演变1 1）氧（）氧（O2）溶解于水中的氧称为溶解于水中的氧称为“溶解氧溶解氧”，其溶解量随，其溶解量随水的矿水的矿化度化度升高升高、埋藏深度埋藏深度增加增加、温度温度升高升高、大气压力大气压力 降低降低 而而 降低降低。氧的溶解度氧的溶解度含量分布特征含量分布特征 A）地下水中溶解的含量，一般在）地下水中溶解的含量，一般在015mg/L B）地下水中的）地下水中的O2随深度增加而减少（由于氧化作用随深度增加而减少（由于氧化作用耗氧所致）耗氧所致）C）缺氧环境各地深度不一，主要取决于）缺氧环境各地深度不一，主要取决于地下水与大地下水与大气的隔离度气的隔离度18第18页/共85页第六章 地下水的物理性质和化学成分及其演变1 1）氧（）氧（O2）氧的来源氧的来源A）主要主要来源于来源于大气大气，O2占大气占大气21%，所以地下水中，所以地下水中O2浓度主要取决于浓度主要取决于地下水与大气的隔离程度地下水与大气的隔离程度；B）水生植物）水生植物光合作用光合作用释放氧，光合作用把释放氧，光合作用把CO2转变为转变为O2C）放射性作用放射性作用使水或水中有机物质分解而释出氧。使水或水中有机物质分解而释出氧。19第19页/共85页第六章 地下水的物理性质和化学成分及其演变氧的水文地球化学作用氧的水文地球化学作用 A）O2决定地下水的氧化还原状态，从而影响水中元素决定地下水的氧化还原状态，从而影响水中元素的迁移。的迁移。如在含氧多的地下水中，如在含氧多的地下水中，Fe形成高价化合物而从中沉形成高价化合物而从中沉淀；淀；反之，地下水中含反之，地下水中含O2少，形成低价态化合物而易于在少，形成低价态化合物而易于在水中迁移水中迁移 B）对）对金属材料具有侵蚀作用金属材料具有侵蚀作用。如自来水管的锈蚀。如自来水管的锈蚀。20第20页/共85页第六章 地下水的物理性质和化学成分及其演变2)2)氮（氮（N2）来源来源 A）主要主要来自大气，来自大气，N2占大气的占大气的78%。B）在封闭缺氧的地质构造，由于在封闭缺氧的地质构造，由于去硝化作用去硝化作用将将NO3-和和NO2-转为转为N2。21第21页/共85页第六章 地下水的物理性质和化学成分及其演变2)2)氮（氮（N2）A）由于）由于N2的化学性质不及氧活泼，它的分布随深度的减的化学性质不及氧活泼，它的分布随深度的减少，不及少，不及O2明显明显 B）大气中的惰性气体（）大气中的惰性气体（Ar/氩、氩、Kr/氪、氪、Xe/氙氙xin）与）与N2的比例恒定，即：（的比例恒定，即：（Ar+Kr+Xe）/N2=0.0118。比值等于此数，说明比值等于此数，说明N2是大气起源的；小于此数，则表是大气起源的；小于此数，则表明水中含有生物起源或变质起源的明水中含有生物起源或变质起源的N分布特征分布特征22第22页/共85页第六章 地下水的物理性质和化学成分及其演变3)3)硫化氢（硫化氢（H2S）pH值值H2S在水溶液中含量（在水溶液中含量（%）游离游离H2SHS-S2-599.140.86691.978.73753.3946.61810.0489.9691.1198.830.04100.1199.530.36110.1196.493.50 天然水中，天然水中，H2S能以溶解能以溶解气气体体及及硫氢酸硫氢酸的离解形式存在：的离解形式存在：地下水中地下水中H2S的的存在形式存在形式A）在酸性介质中（）在酸性介质中（pH6.5），呈，呈H2S溶解溶解气体气体的形式存在的形式存在B）在碱性介质中（）在碱性介质中（pH7.5），呈），呈HS-形式存在；形式存在；C）中性介质（）中性介质（pH6.57.5），），H2S、HS-各占一部分。各占一部分。水中水中H2S衍生物的比例与衍生物的比例与pH值的关系值的关系 由于由于H2S的二级电离常数极的二级电离常数极小，所以小，所以S2-在水中极少见在水中极少见23第23页/共85页第六章 地下水的物理性质和化学成分及其演变分布特征分布特征 A）一般地下水中含量很少，多在）一般地下水中含量很少，多在1mg/L以下。以下。B）在油田地下水及现代火山活动区地下水中，）在油田地下水及现代火山活动区地下水中，H2S含含量较高，可达几十量较高，可达几十g/L几百几百mg/L。H2S的存在说明地下的存在说明地下水处于还原环境。水处于还原环境。来源来源 A）有机物来源有机物来源：含硫蛋白质的分解，经常出现在生物：含硫蛋白质的分解，经常出现在生物残骸腐烂的地方。残骸腐烂的地方。B）无机来源无机来源：缺氧条件下，：缺氧条件下，脱硫酸作用脱硫酸作用使硫酸盐还原使硫酸盐还原分解而产生分解而产生H2S；火山喷发气体的析出。；火山喷发气体的析出。24第24页/共85页第六章 地下水的物理性质和化学成分及其演变4)4)二氧化碳（二氧化碳（CO2）基本概念基本概念A）游离）游离CO2 溶解于水中的溶解于水中的CO2统称为游离统称为游离CO2B）平衡）平衡CO2与与HCO3-相平衡的相平衡的CO2，称为平衡，称为平衡CO2C）侵蚀性）侵蚀性CO2当水中当水中“游离游离CO2”，大于，大于“平衡平衡CO2”时，多余部分的时，多余部分的CO2对碳酸和金对碳酸和金属构件等具有侵蚀性，这部分属构件等具有侵蚀性，这部分CO2，即为即为“侵蚀性侵蚀性CO2”25第25页/共85页第六章 地下水的物理性质和化学成分及其演变来源来源A）空气中的空气中的CO2空气中的空气中的CO2按体积只占按体积只占0.3%，可造成水中，可造成水中0.5mg/L的的CO2B）土壤中土壤中生物化学作用生物化学作用的的CO2（植物呼吸（植物呼吸有有机物分解）有有机物分解）土壤上中各种各样的有机物，在微生物的作用下分解产生土壤上中各种各样的有机物，在微生物的作用下分解产生CO2 如在地下如在地下6米深的空气中含米深的空气中含7%的的CO2，比地面空气中的含，比地面空气中的含量增加很多倍，从而土壤上量增加很多倍，从而土壤上CO2成为浅部地下水中成为浅部地下水中CO2的主要的主要来源来源C）深部地壳中发生的深部地壳中发生的各种变质作用各种变质作用产生的产生的CO226第26页/共85页第六章 地下水的物理性质和化学成分及其演变D）幔源碳逸出）幔源碳逸出E）岩浆分异作用岩浆分异作用产生的产生的CO2 地幔中地幔中含丰富的含丰富的CO2和和CH4等气体，它们可沿切穿地幔等气体，它们可沿切穿地幔的大型断裂构造进入地壳浅部的地下水，其中的大型断裂构造进入地壳浅部的地下水，其中CH4等碳氢化等碳氢化合物在上升过程中被氧化成合物在上升过程中被氧化成CO2岩浆分异的气体中，岩浆分异的气体中，CO2仅次于水蒸汽占第仅次于水蒸汽占第2位位分布特征分布特征 A）一般地下水中游离）一般地下水中游离CO2为为1540mg/L，很少超过，很少超过150mg/L B）矿泉水中）矿泉水中CO2含量很高，几百含量很高，几百mg/L至几十至几十 g/L。如：江西崇仁马鞍坪温泉如：江西崇仁马鞍坪温泉CO2=750mg/L，江西寻乌温泉，江西寻乌温泉CO2=1193mg/L。前苏联高加索矿水区，地下。前苏联高加索矿水区，地下1300m深处碳酸水，深处碳酸水，CO24000mg/L C）现代火山活动区，地下水中）现代火山活动区，地下水中CO250010000mg/L。27第27页/共85页第六章 地下水的物理性质和化学成分及其演变碳酸水的利用碳酸水的利用A）天然饮料矿泉水：水中）天然饮料矿泉水：水中CO2大于大于250mg/LB）碳酸泉：水中）碳酸泉：水中CO2大于大于750mg/LC）碳酸饮料具有良好的）碳酸饮料具有良好的医疗作用医疗作用，增进食欲，改善消化功能等，增进食欲，改善消化功能等D）医疗医疗：治疗高血压、冠心病及外伤溃疡。：治疗高血压、冠心病及外伤溃疡。5)5)甲烷（甲烷（CH4）CH4是最简单的有机物，它可由有机质的各种生物化学作用是最简单的有机物，它可由有机质的各种生物化学作用产生。一般地下水中含量不高，只有在产生。一般地下水中含量不高，只有在封闭的还原环境封闭的还原环境的地下水的地下水中达到较高含量。中达到较高含量。石油及卤水中石油及卤水中CH4含量很高：四川某卤水开采区，井下含量很高：四川某卤水开采区，井下4500m以下的地下卤水中，以下的地下卤水中，10%为为CH4气体。当地下水中有硫酸盐时，气体。当地下水中有硫酸盐时，甲烷能促使还原而产生甲烷能促使还原而产生H2S气体，甲烷是强还原环境标志之一。气体，甲烷是强还原环境标志之一。28第28页/共85页第六章 地下水的物理性质和化学成分及其演变 一般情况下，随着一般情况下，随着总矿化总矿化度度（溶解性总溶解性总固体固体/TDS）的变化，地的变化，地下水中占主要地位的离子成分也随之发生变化。下水中占主要地位的离子成分也随之发生变化。低矿化水低矿化水中常以中常以HCO3-及及Ca2+、Mg2+为主；为主；高矿化水高矿化水则以则以C1-及及Na+为主；为主；中等矿化中等矿化的地下水中，阴离子常以的地下水中，阴离子常以SO42-为主，主要阳离子则为主，主要阳离子则可以是可以是Na+，也可以是，也可以是Ca2+。这是因为：这是因为：地下水中常见盐类的溶解度（地下水中常见盐类的溶解度（0，单位，单位g/L）盐类盐类溶解度溶解度盐类盐类溶解度溶解度盐类盐类溶解度溶解度NaClKClMgCl2CaCl2350290558.1（18）731.9（18）Na2SO4MgSO4CaSO4502701.9Na2CO3MgCO3193.9（18）0.129第29页/共85页第六章 地下水的物理性质和化学成分及其演变 总的来说，总的来说，氯盐的溶解度最大氯盐的溶解度最大，硫酸盐次之硫酸盐次之，碳酸盐碳酸盐较小较小。钙的硫酸盐，特变是钙、镁的碳酸盐，溶解度最小；。钙的硫酸盐，特变是钙、镁的碳酸盐，溶解度最小；随着矿化度增大随着矿化度增大，钙、镁的碳酸盐首先达到饱和并沉淀析，钙、镁的碳酸盐首先达到饱和并沉淀析出，继续增大时，钙的硫酸盐也饱和析出，因此，高矿化出，继续增大时，钙的硫酸盐也饱和析出，因此，高矿化水中便以易容的氯和钠占优势了（由于氯化钙的溶解度更水中便以易容的氯和钠占优势了（由于氯化钙的溶解度更大，因此在大，因此在矿化度异常高矿化度异常高的地下水中以氯和钙为主）的地下水中以氯和钙为主）1 1）氯离子）氯离子（Cl）迁移性能迁移性能A）不形成难溶化合物；不形成难溶化合物；B）不被胶体所吸附；不被胶体所吸附；C）不被生物所吸附不被生物所吸附30第30页/共85页第六章 地下水的物理性质和化学成分及其演变 A）来自来自沉积岩沉积岩中所含中所含岩盐岩盐或其它或其它氯化物氯化物的的溶解溶解；B）来自来自岩浆岩岩浆岩中含中含氯矿物氯矿物。氯磷灰石氯磷灰石Ca5（PO4）3Cl、方钠石、方钠石NaAlSiO4NaCl的风的风化化溶解溶解；C）来自来自海水海水。海水补给地下水，或者来自海面的风将细沫状。海水补给地下水，或者来自海面的风将细沫状的海水带到陆地，使地下水中的海水带到陆地，使地下水中Cl-增多；增多；D）来自来自火山喷发物火山喷发物的溶滤；的溶滤；E）人为污染：工业、生活污水及粪便中含有大量人为污染：工业、生活污水及粪便中含有大量C1-。来源来源分布规律分布规律 地下水中的地下水中的Cl含量从几含量从几mg/L至至100mg/L以上均有。地下水中以上均有。地下水中的的Cl含量随地下水矿化度的增高而增高。在高矿化度水中，占阴含量随地下水矿化度的增高而增高。在高矿化度水中，占阴离子首位，形成氯化物水。离子首位，形成氯化物水。31第31页/共85页第六章 地下水的物理性质和化学成分及其演变2 2）硫酸根（）硫酸根（SO42）迁移性能迁移性能 迁移性能较强，仅次于迁移性能较强，仅次于Cl。SO42的迁移性能受下列四的迁移性能受下列四个因素控制：个因素控制：A）水中水中SO42易与易与Ca2、Ba2、Sr2等离子形成等离子形成难溶盐难溶盐。B）热带潮湿地区土壤中的热带潮湿地区土壤中的Fe(OH)2、Al(OH)22胶体可以吸胶体可以吸附附SO42。C）易被生物吸收）易被生物吸收，硫是蛋白质的组成部分。，硫是蛋白质的组成部分。D）脱硫酸作用）脱硫酸作用：在缺氧、有脱硫酸菌存在的情况下，：在缺氧、有脱硫酸菌存在的情况下，SO42被还原成被还原成H2S等的过程。等的过程。32第32页/共85页第六章 地下水的物理性质和化学成分及其演变分布规律分布规律 A）随地下水矿化度增高，随地下水矿化度增高，SO42含量增加，但增加速度明含量增加，但增加速度明显落后于显落后于Cl。在。在中等矿化度中等矿化度水中，常成为含量最多的阴离子水中，常成为含量最多的阴离子 B）在某些特殊情况下，地下水中含量可达到很高，例如在某些特殊情况下，地下水中含量可达到很高，例如硫硫化矿化矿氧化带中的氧化带中的矿坑水矿坑水，石膏层地下水。，石膏层地下水。来源来源A）石膏、硬石膏及石膏、硬石膏及含硫酸盐的沉积物含硫酸盐的沉积物。B）硫化物及天然硫的氧化）硫化物及天然硫的氧化，则使本来难溶于水的，则使本来难溶于水的S以以SO42-形式大量进入水中。例如：（黄铁矿）形式大量进入水中。例如：（黄铁矿）33第33页/共85页第六章 地下水的物理性质和化学成分及其演变C）火山喷发物中的火山喷发物中的硫和硫和硫化物硫化物的氧化的氧化D）酸雨，大气降水中的酸雨，大气降水中的SO42E）有机物的分解有机物的分解F）生活、工业、农业废水生活、工业、农业废水 由于由于CaSO4的溶解度较小，限制了的溶解度较小，限制了SO42-在水中的含量，在水中的含量，所以地下水中的所以地下水中的SO42-远不如远不如C1-来得稳定，最高含量也远低来得稳定，最高含量也远低于于C1-。来源来源2 2）硫酸根（）硫酸根（SO42）A）B）34第34页/共85页第六章 地下水的物理性质和化学成分及其演变3 3）HCO3 和和 CO32分布规律分布规律 HCO3在低矿化度水中主导地位，在阴离子中占首在低矿化度水中主导地位，在阴离子中占首位。在某些含位。在某些含CO2的水中，的水中，HCO3含量可达含量可达1000mg/L以以上上。例如横迳例如横迳（赣南）（赣南）温泉水中温泉水中HCO3含量高达含量高达2253mg/L，强碱、强酸水中，强碱、强酸水中，HCO3极少见。天然水中极少见。天然水中CO32含量一般很低，但在苏打水中可达到很高含量一般很低，但在苏打水中可达到很高35第35页/共85页第六章 地下水的物理性质和化学成分及其演变来源来源A）大气中）大气中CO2的溶解的溶解B）各种）各种碳酸盐类碳酸盐类（石灰岩、白云岩、泥灰岩）及胶结物的溶解（石灰岩、白云岩、泥灰岩）及胶结物的溶解和溶滤和溶滤C）岩浆岩与变质岩地区，）岩浆岩与变质岩地区，HCO3主要来自主要来自铝硅酸盐矿物铝硅酸盐矿物的风的风化溶解化溶解3 3）HCO3 和和 CO3236第36页/共85页第六章 地下水的物理性质和化学成分及其演变4 4）钠离子）钠离子（Na+）钠离子在低矿化水中的含量一般很低，仅数毫克钠离子在低矿化水中的含量一般很低，仅数毫克/升到升到数十毫克数十毫克/升，但在高矿化度水中则是主要的阳离子，其含升，但在高矿化度水中则是主要的阳离子，其含量最高可达数十克量最高可达数十克/升。升。B）岩盐矿床）岩盐矿床及火成岩和变质岩中及火成岩和变质岩中含钠的矿物含钠的矿物的风化、溶解的风化、溶解A）来自于海水来自于海水分布规律分布规律来源来源如钠长石、斜长石、霞石如钠长石、斜长石、霞石 （钠的铝硅酸盐）（钠的铝硅酸盐）37第37页/共85页第六章 地下水的物理性质和化学成分及其演变5 5）钾离子）钾离子（K+）钾离子的来源以及在地下水中的分布特点，与钠相近。它钾离子的来源以及在地下水中的分布特点，与钠相近。它来来自含钾盐类沉积岩的溶解，以及岩浆岩、变质岩中含钾矿来来自含钾盐类沉积岩的溶解，以及岩浆岩、变质岩中含钾矿物的风化溶解。在低矿化水中含量甚微，而在高矿化水中较多。物的风化溶解。在低矿化水中含量甚微，而在高矿化水中较多。虽然在地壳中，钾的含量与钠相近，钾盐的溶解度也相虽然在地壳中，钾的含量与钠相近，钾盐的溶解度也相当大。但是，在地下水中，当大。但是，在地下水中，K+的含量要比的含量要比Na+少得多少得多，这是因，这是因为：为：K+大量地参与形成不溶于水的大量地参与形成不溶于水的次次生矿物（水云母、蒙生矿物（水云母、蒙脱石、绢云母）脱石、绢云母）易为植物摄取易为植物摄取分布规律及来源分布规律及来源K+与与Na+少的比较少的比较38第38页/共85页第六章 地下水的物理性质和化学成分及其演变6 6）钙离子）钙离子（Ca2+）钙是低矿化地下水这的主要阳离子，其含量一般不钙是低矿化地下水这的主要阳离子，其含量一般不超过数百毫克超过数百毫克/升，在高矿水中，由于阴离子主要是升，在高矿水中，由于阴离子主要是Cl-，而，而CaCl2的溶解度相当大，故的溶解度相当大，故Ca2+的绝对含量显著增的绝对含量显著增大，但通常仍远低于大，但通常仍远低于Na+。矿化度格外高的水，钙也可。矿化度格外高的水，钙也可称为主要离子。称为主要离子。分布规律分布规律 碳酸盐类沉积物碳酸盐类沉积物及含石膏沉积物的以及岩浆岩、变及含石膏沉积物的以及岩浆岩、变质岩中质岩中含钙矿物含钙矿物的风化溶解。的风化溶解。来源来源39第39页/共85页第六章 地下水的物理性质和化学成分及其演变7 7）镁离子）镁离子（Mg2+）Mg2+在地矿化水中含量通常较在地矿化水中含量通常较Ca2+少，通常不成为地下少，通常不成为地下水中的主要离子，部分原因是由于地壳组成中水中的主要离子，部分原因是由于地壳组成中Mg比比Ca少。少。含镁的碳酸盐类含镁的碳酸盐类沉积（白云岩、泥灰岩），此外还来自沉积（白云岩、泥灰岩），此外还来自岩浆岩、变质岩中岩浆岩、变质岩中含镁矿物含镁矿物的风化溶解。的风化溶解。分布规律分布规律来源来源40第40页/共85页第六章 地下水的物理性质和化学成分及其演变地下水中的其它成分1）胶体成分硅酸 弱酸，离解程度很小。在水中的含量一般每升十分之几毫克，少数达几毫克；但在碱性热水中，可达到100mg/L。南方多雨潮湿的结晶岩地区，在一些低矿化度水中富集了硅酸盐型水。粘土矿物即是硅铝酸化合物胶体，最简单的形式如Al2O32SiO22H2O，硅铝酸阴离子使粘土胶体离子带有负电荷，是吸附阳离子的主要原因。结合水阳离子交替吸附41第41页/共85页第六章 地下水的物理性质和化学成分及其演变 胶体氢氧化铁在地壳中分布很广，也是铁在天然水中存在的主要形式之一。在还原环境中，地下水中的铁通常以低价Fe2+出现，亚铁离子在水中是不稳定的，极易氧化成氢氧化铁析出：氢氧化铁氢氧化铝 氢氧化铝胶体主要由铝硅酸盐风化分解而来，但很不稳定，容易形成水矾土、叶腊石等此生矿物，氢氧化铝在地下水中含量不高。42第42页/共85页第六章 地下水的物理性质和化学成分及其演变2）有机质 地下水中的有机质大部分由腐殖质组成，它是有机质经微生物分解后再合成的一种褐色或黑褐色的胶体物质。沼泽地区的地下水，有机质含量高，呈酸性，油田水中的有机质含量最高达n10-3。大气降水和海洋水中有机质含量最少，其他地下水中含量只有n10-5。构成有机质的主要元素碳、氢、氧占98.5%，此外还有少量的氮、磷、硫、钾、钙等元素。地下水中有机质主要来源是土壤或岩石石油天然气的溶解，细菌或生物的作用，沿海盐水的入侵等。此外工业废水、石油、天然气、煤等矿产开发，农业灌溉以及城市污染等也能形成有机质。43第43页/共85页第六章 地下水的物理性质和化学成分及其演变3）细菌成分（微生物）地下水中的细菌成分来自生活污水、生物制品、造纸等各种工业废水，这些污水中往往含有个中病原菌，流入水体后会传染各种疾病。此外，人类及动物的排泄物也能产生致病菌，污染地下水。水的细菌分析结果一般用细菌总数（每升水）、菌度（含有一条大肠杆菌的水的毫升数）和检定量（1L水中大肠杆菌的含量）表示。我国规定1mL饮用水中细菌总数不得超过100个，1L水中大肠杆菌不得超过3个。水的名称水的名称菌度菌度/mL卫生的水卫生的水300300比较卫生的水比较卫生的水100不可靠的水不可靠的水10不卫生的水不卫生的水1极不卫生的水极不卫生的水0.1地下水卫生状况按菌度划分表44第44页/共85页第六章 地下水的物理性质和化学成分及其演变6.4 地下水化学成分的形成作用溶滤作用1）定义）定义：水与岩土相互作用下，水与岩土相互作用下，岩土岩土中一部分中一部分物质转入地下水物质转入地下水中中2）结果）结果：岩土失去一部分可溶物质，地下水则补充了新的组分岩土失去一部分可溶物质，地下水则补充了新的组分3）溶解的过程）溶解的过程4）溶解）溶解与与结晶结晶同时进行同时进行溶解度溶解度5）不同盐类具有不同盐类具有不同的溶解度不同的溶解度（原因）（原因）水是偶极分子水是偶极分子结晶格架中的盐类离子结晶格架中的盐类离子不同盐类，结晶格架中不同盐类，结晶格架中离子间的吸引力不同离子间的吸引力不同45第45页/共85页第六章 地下水的物理性质和化学成分及其演变6）温度温度对溶解度的影响对溶解度的影响 随着随着温度上升温度上升，结晶格架内离，结晶格架内离子的子的振荡运动加剧振荡运动加剧，离子间引力削离子间引力削弱弱，水的极化分子易于将离子从结，水的极化分子易于将离子从结晶格架上晶格架上拉出拉出。因此，盐类。因此，盐类溶解度溶解度通常随温度上升而增大通常随温度上升而增大。但是但是，某些盐类例外，如，某些盐类例外，如 Na2SO4 在温度上升时，由于矿物在温度上升时，由于矿物结晶中的水分子逸出，离子间引力结晶中的水分子逸出，离子间引力增大，溶解度反而降低；增大，溶解度反而降低；CaCO3 及及 MgCO3的溶解度也的溶解度也随温度上升而降低，这与下面所说随温度上升而降低，这与下面所说的的脱碳酸作用脱碳酸作用有关。有关。46第46页/共85页第六章 地下水的物理性质和化学成分及其演变7）溶滤作用的溶滤作用的强度强度（岩土中的组分转入水中的（岩土中的组分转入水中的速率速率）与下）与下列因素有关：列因素有关：组成岩土的矿物盐类的溶解度组成岩土的矿物盐类的溶解度 NaCl与与SiO2比较比较岩土的空隙特征岩土的空隙特征 缺乏裂隙的致密基岩，水难以与矿物盐类接触，溶滤作用缺乏裂隙的致密基岩，水难以与矿物盐类接触，溶滤作用便也无从发生便也无从发生。水的溶解能力决定着溶滤作用的强度水的溶解能力决定着溶滤作用的强度 总的说来，总的说来，低矿化水溶解能力强低矿化水溶解能力强而而高矿化水弱高矿化水弱。水中水中CO2、O2等气体成分的含量决定着某些盐类的溶解能力等气体成分的含量决定着某些盐类的溶解能力 如水中如水中CO2含量愈高，溶解含量愈高，溶解碳酸盐碳酸盐及硅酸盐的能力愈强。及硅酸盐的能力愈强。O2的含量愈高，水溶解的含量愈高，水溶解硫化物硫化物的能力愈强。的能力愈强。水的流动状况水的流动状况47第47页/共85页第六章 地下水的物理性质和化学成分及其演变水的流动状况水的流动状况 流动停滞流动停滞的地下水，最终将失去溶解能力，溶滤作用便告终的地下水，最终将失去溶解能力，溶滤作用便告终止。止。地下水流动迅速地下水流动迅速，矿化度低的、含有大量，矿化度低的、含有大量CO2、O2的大气降的大气降水和地表水，不断更新含水层中原有的溶解能力已经趋于饱和的水和地表水，不断更新含水层中原有的溶解能力已经趋于饱和的水，溶滤作用便持续地强烈发育。水，溶滤作用便持续地强烈发育。地下水的径流与交替强度地下水的径流与交替强度是决定溶滤作用强度的是决定溶滤作用强度的最活最活跃最关键的因素跃最关键的因素8）溶滤作用溶滤作用与纯化学的与纯化学的溶解作用溶解作用的区别的区别溶滤作用溶滤作用时间上的阶段性时间上的阶段性 溶滤作用是一种与一定的溶滤作用是一种与一定的自然地理自然地理与与地质环境地质环境相联系的相联系的历史过历史过程程。48第48页/共85页第六章 地下水的物理性质和化学成分及其演变 经受构造变动与剥蚀作用的岩层，接受来自大气圈及地表水圈经受构造变动与剥蚀作用的岩层，接受来自大气圈及地表水圈的的入渗水补给入渗水补给而而开始开始其溶滤过程其溶滤过程。设想岩层中原来含有包括设想岩层中原来含有包括氯化物氯化物、硫酸盐硫酸盐、碳酸盐碳酸盐及及硅酸盐硅酸盐等等各种矿物盐类。各种矿物盐类。开始阶段开始阶段，氯化物氯化物最易于由岩层转入水中，而成为地下水中主