地下水的物理性质和化学成分及其演变.ppt

第六章第六章 地下水的物理性地下水的物理性质质和化学成分及其演和化学成分及其演变变第六章第六章 地下水的物理性地下水的物理性质质和化学成分及其演和化学成分及其演变变6.1 概述概述6.2 地下水的物理性质地下水的物理性质6.3 地下水的化学特征地下水的化学特征6.4 地下水化学成分的形成作用地下水化学成分的形成作用6.5 地下水化学成分的基本成因类型地下水化学成分的基本成因类型6.6 地下水化学成分的分析内容与分类图示地下水化学成分的分析内容与分类图示第六章第六章 地下水的物理性地下水的物理性质质和化学成分及其演和化学成分及其演变变6.1 概述概述 【水质水质】指水的指水的适用性适用性，即水的，即水的物质成分物质成分、物理性状物理性状、和和化学性质化学性质及其及其对于对于所有可能的所有可能的用水目的用水目的的其质量的其质量适应性适应性的综合特征。的综合特征。作为作为水资源水资源，其，其量量和和质质的属性的属性是是不可分割的，没有量不可分割的，没有量的质和没有质的量都是没有资源意义的。的质和没有质的量都是没有资源意义的。地下水地下水水质水质在人民生活及国民经济发展中的在人民生活及国民经济发展中的作用作用：第六章第六章 地下水的物理性地下水的物理性质质和化学成分及其演和化学成分及其演变变 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第六章第六章 地下水的物理性地下水的物理性质质和化学成分及其演和化学成分及其演变变2 2）水质与农业生产水质与农业生产标标准分准分类类 本本标标准根据准根据农农作物的需求状况，将灌作物的需求状况，将灌溉溉水水质质按灌按灌溉溉作作物分物分为为三三类类：一一类类：水作，如水稻，灌水量：水作，如水稻，灌水量800m3/亩亩年。年。二二类类：旱作，如小麦、玉米、棉花等。灌：旱作，如小麦、玉米、棉花等。灌溉溉水量水量300m3/亩亩年。年。三三类类：蔬菜，如大白菜、韭菜、洋葱、卷心菜等。蔬：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，一般菜品种不同，灌水量差异很大，一般为为200500m3/亩亩。第六章第六章 地下水的物理性地下水的物理性质质和化学成分及其演和化学成分及其演变变2 2）水质与农业生产水质与农业生产第六章第六章 地下水的物理性地下水的物理性质质和化学成分及其演和化学成分及其演变变2 2）水质与农业生产水质与农业生产第六章第六章 地下水的物理性地下水的物理性质质和化学成分及其演和化学成分及其演变变2 2）水质与农业生产水质与农业生产第六章第六章 地下水的物理性地下水的物理性质质和化学成分及其演和化学成分及其演变变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不允许含有氯化钙和氯化镁，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。第六章第六章 地下水的物理性地下水的物理性质质和化学成分及其演和化学成分及其演变变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。水文地球化学找矿法水文地球化学找矿法，中国地质科学院水文地质，中国地质科学院水文地质工程地质研究所，地质出版社，工程地质研究所，地质出版社，1977.41977.4水文地球化学找油理论与方法水文地球化学找油理论与方法，刘崇禧等编著，刘崇禧等编著，地质出版社，地质出版社，1988.81988.8第六章第六章 地下水的物理性地下水的物理性质质和化学成分及其演和化学成分及其演变变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/溴溴xi：用于水的纯化（游泳池），制二溴乙烯：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化合（汽油抗爆震音）、阻燃剂以及其它一些溴代有机化合物。物。B/硼硼png：和钛钨一起制轻质抗热合金，也用于抗：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。热玻璃的制造，眼睛消毒液的配制。Sr/锶锶s：用于焰火，具有洋红色火焰。也用于核能：用于焰火，具有洋红色火焰。也用于核能电池。电池。6 6）某些具有特殊物理性质与化学成分的水具有医疗意义某些具有特殊物理性质与化学成分的水具有医疗意义第六章第六章 地下水的物理性地下水的物理性质质和化学成分及其演和化学成分及其演变变 “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环境境自然地理、地自然地理、地质质背景以及人背景以及人类类活活动动长长期相互作用的期相互作用的产产物。一个地区物。一个地区地地下水的化学面貌下水的化学面貌，反映了，反映了该该地区地区地下水的地下水的历历史演史演变变。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。这对于对于查明有关物质的迁移、分散规律，确定污染源的位置查明有关物质的迁移、分散规律，确定污染源的位置很有帮很有帮助助。第六章第六章 地下水的物理性地下水的物理性质质和化学成分及其演和化学成分及其演变变6.2 地下水的物理性质地下水的物理性质 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。第六章第六章 地下水的物理性地下水的物理性质质和化学成分及其演和化学成分及其演变变变温带变温带 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。第六章第六章 地下水的物理性地下水的物理性质质和化学成分及其演和化学成分及其演变变常温带常温带 地地温一般比当地年平均气温高出温一般比当地年平均气温高出1-2。在粗略计算。在粗略计算时，可将当地的多年平均气温作为常温带地温。时，可将当地的多年平均气温作为常温带地温。第六章第六章 地下水的物理性地下水的物理性质质和化学成分及其演和化学成分及其演变变常温带常温带常温带常温带第六章第六章 地下水的物理性地下水的物理性质质和化学成分及其演和化学成分及其演变变增温带增温带 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/近代火山活近代火山活动动地区地区为为：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/第六章第六章 地下水的物理性地下水的物理性质质和化学成分及其演和化学成分及其演变变总结总结：地下水的温度受其地下水的温度受其赋赋存存与与循循环环所所处处的的地温地温控制。控制。处处于于变变温温带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微小的水温季节变节变化化。常温常温带带的地下水水温与当地年平均气温很接近。的地下水水温与当地年平均气温很接近。这这两两带带的地下水，常的地下水，常给给人以人以“冬暖夏凉冬暖夏凉”的感的感觉觉。增温增温带带的地下水随其的地下水随其赋赋存与循存与循环环深度的加大而提高，深度的加大而提高，成成为热为热水甚至蒸汽。如西藏羊八井的水甚至蒸汽。如西藏羊八井的钻钻孔，孔，获获得温度得温度为为160的的热热水与蒸汽。水与蒸汽。第六章第六章 地下水的物理性地下水的物理性质质和化学成分及其演和化学成分及其演变变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第六章第六章 地下水的物理性地下水的物理性质质和化学成分及其演和化学成分及其演变变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，比重不同第六章第六章 地下水的物理性地下水的物理性质质和化学成分及其演和化学成分及其演变变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强强中等中等弱弱第六章第六章 地下水的物理性地下水的物理性质质和化学成分及其演和化学成分及其演变变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。第六章第六章 地下水的物理性地下水的物理性质质和化学成分及其演和化学成分及其演变变6.3 地下水的化学特征地下水的化学特征6.3.1 地下水中主要气体成分地下水中主要气体成分 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存在的意义的意义：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。第六章第六章 地下水的物理性地下水的物理性质质和化学成分及其演和化学成分及其演变变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，其溶解量随随水的矿化水的矿化度度升高升高、埋藏埋藏深度深度增加增加、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第六章第六章 地下水的物理性地下水的物理性质质和化学成分及其演和化学成分及其演变变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。第六章第六章 地下水的物理性地下水的物理性质质和化学成分及其演和化学成分及其演变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。第六章第六章 地下水的物理性地下水的物理性质质和化学成分及其演和化学成分及其演变变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）在封在封闭闭缺氧的地缺氧的地质质构造，由于构造，由于去硝化作用去硝化作用将将NO3-和和NO2-转为转为N2。第六章第六章 地下水的物理性地下水的物理性质质和化学成分及其演和化学成分及其演变变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分布特征分布特征第六章第六章 地下水的物理性地下水的物理性质质和化学成分及其演和化学成分及其演变变3)3)硫化氢（硫化氢（H2S）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）在酸性介质质中（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）在碱性介质质中（中（pH7.5），呈），呈HS-形式存在；形式存在；C）中性介）中性介质质（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第六章第六章 地下水的物理性地下水的物理性质质和化学成分及其演和化学成分及其演变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。第六章第六章 地下水的物理性地下水的物理性质质和化学成分及其演和化学成分及其演变变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统统称称为为游离游离CO2B）平衡）平衡CO2与与HCO3-相平衡的相平衡的CO2，称，称为为平衡平衡CO2C）侵）侵蚀蚀性性CO2当水中当水中“游离游离CO2”，大于，大于“平衡平衡CO2”时时，多余部分的，多余部分的CO2对对碳酸和金属构碳酸和金属构件等具有侵件等具有侵蚀蚀性，性，这这部分部分CO2，即，即为为“侵侵蚀蚀性性CO2”第六章第六章 地下水的物理性地下水的物理性质质和化学成分及其演和化学成分及其演变变来源来源A）空气中的空气中的CO2空气中的空气中的CO2按体按体积积只占只占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）土壤上中各种各土壤上中各种各样样的有机物，在微生物的作用下分解的有机物，在微生物的作用下分解产产生生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成成为为浅部地下水中浅部地下水中CO2的主要的主要来源来源C）深部地壳中深部地壳中发发生的生的各种各种变质变质作用作用产产生的生的CO2第六章第六章 地下水的物理性地下水的物理性质质和化学成分及其演和化学成分及其演变变D）幔源碳逸出）幔源碳逸出E）岩岩浆浆分异作用分异作用产产生的生的CO2 地幔中地幔中含丰富的含丰富的CO2和和CH4等气体，它等气体，它们们可沿切穿地幔可沿切穿地幔的大型断裂构造的大型断裂构造进进入地壳浅部的地下水，其中入地壳浅部的地下水，其中CH4等碳等碳氢氢化化合物在上升合物在上升过过程中被氧化成程中被氧化成CO2岩岩浆浆分异的气体中，分异的气体中，CO2仅仅次于水蒸汽占第次于水蒸汽占第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，很少超过过150mg/L B）矿矿泉水中泉水中CO2含量很高，几百含量很高，几百mg/L至几十至几十 g/L。如：江西崇仁如：江西崇仁马马鞍坪温泉鞍坪温泉CO2=750mg/L，江西，江西寻乌寻乌温泉温泉CO2=1193mg/L。前。前苏联苏联高加索高加索矿矿水区，地下水区，地下1300m深深处处碳酸水，碳酸水，CO24000mg/L C）现现代火山活代火山活动动区，地下水中区，地下水中CO250010000mg/L。第六章第六章 地下水的物理性地下水的物理性质质和化学成分及其演和化学成分及其演变变碳酸水的利用碳酸水的利用A）天然）天然饮饮料料矿矿泉水：水中泉水：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）碳酸饮饮料具有良好的料具有良好的医医疗疗作用作用，增，增进进食欲，改善消化功能等食欲，改善消化功能等D）医医疗疗：治：治疗疗高血高血压压、冠心病及外、冠心病及外伤溃疡伤溃疡。5)5)甲烷（甲烷（CH4）CH4是最是最简单简单的有机物，它可由有机的有机物，它可由有机质质的各种生物化学作用的各种生物化学作用产产生。一般地下水中含量不高，只有在生。一般地下水中含量不高，只有在封封闭闭的的还还原原环环境境的地下水的地下水中达到中达到较较高含量。高含量。石油及石油及卤卤水中水中CH4含量很高：四川某含量很高：四川某卤卤水开采区，井下水开采区，井下4500m以下的地下以下的地下卤卤水中，水中，10%为为CH4气体。当地下水中有硫酸气体。当地下水中有硫酸盐时盐时，甲甲烷烷能促使能促使还还原而原而产产生生H2S气体，甲气体，甲烷烷是是强强还还原原环环境境标标志之一。志之一。第六章第六章 地下水的物理性地下水的物理性质质和化学成分及其演和化学成分及其演变变11王慎义，浦勇王慎义，浦勇.泰汶石膏矿防治硫化氢气体及泰汶石膏矿防治硫化氢气体及地下水的技术研究地下水的技术研究J.J.非金属矿，非金属矿，20082008（5 5）22乔海明，宋哲，章金彪乔海明，宋哲，章金彪.十红滩铀矿床地下水十红滩铀矿床地下水中的气体在成矿过程中的作用中的气体在成矿过程中的作用J.J.铀矿地质，铀矿地质，20092009（4 4）.第六章第六章 地下水的物理性地下水的物理性质质和化学成分及其演和化学成分及其演变变6.3.2 地下水中的主要离子成分地下水中的主要离子成分Cl、SO42、HCO3（CO32）Na、K、Ca2、Mg2第六章第六章 地下水的物理性地下水的物理性质质和化学成分及其演和化学成分及其演变变 一般情况下，随着一般情况下，随着总矿总矿化化度度（溶解性总溶解性总固体固体/TDS）的的变变化，化，地下水中占主要地位的离子成分也随之地下水中占主要地位的离子成分也随之发发生生变变化。化。低低矿矿化水化水中常以中常以HCO3-及及Ca2+、Mg2+为为主；主；高高矿矿化水化水则则以以C1-及及Na+为为主；主；中等中等矿矿化化的地下水中，阴离子常以的地下水中，阴离子常以SO42-为为主，主要阳离子主，主要阳离子则则可以是可以是Na+，也可以是，也可以是Ca2+。这是因为：这是因为：地下水中常地下水中常见盐类见盐类的溶解度（的溶解度（0，单单位位g/L）第六章第六章 地下水的物理性地下水的物理性质质和化学成分及其演和化学成分及其演变变 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）不形成不形成难难溶化合物；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第六章第六章 地下水的物理性地下水的物理性质质和化学成分及其演和化学成分及其演变变 A）来自来自沉沉积积岩岩中所含中所含岩岩盐盐或其它或其它氯氯化物化物的的溶解溶解；B）来自来自岩岩浆浆岩岩中含中含氯矿氯矿物物。氯氯磷灰石磷灰石Ca5（PO4）3Cl、方、方钠钠石石NaAlSiO4NaCl的的风风化溶化溶解解；C）来自来自海水海水。海水。海水补给补给地下水，或者来自海面的地下水，或者来自海面的风风将将细细沫状沫状的海水的海水带带到到陆陆地，使地下水中地，使地下水中Cl-增多；增多；D）来自来自火山火山喷发喷发物物的溶的溶滤滤；E）人人为污为污染：工染：工业业、生活、生活污污水及水及粪粪便中含有大量便中含有大量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含量随地下水含量随地下水矿矿化度的增高而增高。在高化度的增高而增高。在高矿矿化度水中，占阴化度水中，占阴离子首位，形成离子首位，形成氯氯化物水。化物水。第六章第六章 地下水的物理性地下水的物理性质质和化学成分及其演和化学成分及其演变变2 2）硫酸根（硫酸根（SO42）迁移性能迁移性能 迁移性能迁移性能较较强强，仅仅次于次于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难溶溶盐盐。B）热带热带潮湿地区土壤中的潮湿地区土壤中的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，硫是蛋白质质的的组组成部分。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被被还还原成原成H2S等的等的过过程。程。第六章第六章 地下水的物理性地下水的物理性质质和化学成分及其演和化学成分及其演变变分布规律分布规律 A）随地下水随地下水矿矿化度增高，化度增高，SO42含量增加，但增加速度明含量增加，但增加速度明显显落后于落后于Cl。在。在中等中等矿矿化度化度水中，常成水中，常成为为含量最多的阴离子含量最多的阴离子 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，例如硫硫化化矿矿氧化氧化带带中的中的矿矿坑水坑水，石膏，石膏层层地下水。地下水。来源来源A）石膏、硬石膏及石膏、硬石膏及含硫酸含硫酸盐盐的沉的沉积积物物。B）硫化物及天然硫的氧化）硫化物及天然硫的氧化，则则使本来使本来难难溶于水的溶于水的S以以SO42-形式大量形式大量进进入水中。例如：（黄入水中。例如：（黄铁矿铁矿）第六章第六章 地下水的物理性地下水的物理性质质和化学成分及其演和化学成分及其演变变C）火山火山喷发喷发物中的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、工生活、工业业、农业废农业废水水 由于由于CaSO4的溶解度的溶解度较较小，限制了小，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-远远不如不如C1-来得来得稳稳定，最高含量也定，最高含量也远远低低于于C1-。来源来源2 2）硫酸根（硫酸根（SO42）A）B）第六章第六章 地下水的物理性地下水的物理性质质和化学成分及其演和化学成分及其演变变3 3）HCO3 和和 CO32分布规律分布规律 HCO3在低在低矿矿化度水中主化度水中主导导地位，在阴离子中占首地位，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。例如横例如横迳迳（赣南）（赣南）温泉水中温泉水中HCO3含量高达含量高达2253mg/L，强强碱、碱、强强酸水中，酸水中，HCO3极少极少见见。天然水中。天然水中CO32含量一般很低，但在含量一般很低，但在苏苏打水中可达到很高打水中可达到很高第六章第六章 地下水的物理性地下水的物理性质质和化学成分及其演和化学成分及其演变变来源来源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）（石灰岩、白云岩、泥灰岩）及胶结物的溶解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 CO32第六章第六章 地下水的物理性地下水的物理性质质和化学成分及其演和化学成分及其演变变4 4）钠离子钠离子（Na+）钠钠离子在低离子在低矿矿化水中的含量一般很低，化水中的含量一般很低，仅仅数毫克数毫克/升到数升到数十毫克十毫克/升，但在高升，但在高矿矿化度水中化度水中则则是主要的阳离子，其含量最是主要的阳离子，其含量最高可达数十克高可达数十克/升。升。B）岩盐岩盐矿床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）第六章第六章 地下水的物理性地下水的物理性质质和化学成分及其演和化学成分及其演变变5 5）钾离子钾离子（K+）钾钾离子的来源以及在地下水中的分布特点，与离子的来源以及在地下水中的分布特点，与钠钠相近。它相近。它来来自含来来自含钾盐类钾盐类沉沉积积岩的溶解，以及岩岩的溶解，以及岩浆浆岩、岩、变质变质岩中含岩中含钾矿钾矿物的物的风风化溶解。在低化溶解。在低矿矿化水中含量甚微，而在高化水中含量甚微，而在高矿矿化水中化水中较较多。多。虽虽然在地壳中，然在地壳中，钾钾的含量与的含量与钠钠相近，相近，钾盐钾盐的溶解度也相的溶解度也相当大。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生矿矿物（水云母、蒙物（水云母、蒙脱石、脱石、绢绢云母）云母）易易为为植物植物摄摄取取分布规律分布规律及来源及来源K+与与Na+少少的比的比较较第六章第六章 地下水的物理性地下水的物理性质质和化学成分及其演和化学成分及其演变变6 6）钙离子钙离子（Ca2+）钙钙是低是低矿矿化地下水化地下水这这的主要阳离子，其含量一般不的主要阳离子，其含量一般不超超过过数百毫克数百毫克/升，在高升，在高矿矿水中，由于阴离子主要是水中，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+的的绝对绝对含量含量显显著增著增大，但通常仍大，但通常仍远远低于低于Na+。矿矿化度格外高的水，化度格外高的水，钙钙也可也可称称为为主要离子。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。来源来源第六章第六章 地下水的物理性地下水的物理性质质和化学成分及其演和化学成分及其演变变7 7）镁离子镁离子（Mg2+）Mg2+在地在地矿矿化水中含量通常化水中含量通常较较Ca2+少，通常不成少，通常不成为为地下地下水中的主要离子，部分原因是由于地壳水中的主要离子，部分原因是由于地壳组组成中成中Mg比比Ca少。少。含镁的碳酸盐类含镁的碳酸盐类沉积沉积（白云岩、泥灰岩），此外还来自（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第六章第六章 地下水的物理性地下水的物理性质质和化学成分及其演和化学成分及其演变变6.3.3 地下水中的其它成分地下水中的其它成分1 1）胶体成分）胶体成分硅酸硅酸 弱酸，离解程度很小。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；但在碱性克；但在碱性热热水中，可达到水中，可达到100mg/L。南方多雨潮湿的南方多雨潮湿的结结晶岩地区，在一些低晶岩地区，在一些低矿矿化度水中化度水中富集了硅酸富集了硅酸盐盐型水。型水。粘土粘土矿矿物物即是即是硅硅铝铝酸化合物酸化合物胶体，胶体，最最简单简单的形式如的形式如Al2O32SiO22H2O，硅硅铝铝酸阴离子使粘土酸阴离子使粘土胶体离子胶体离子带带有有负电负电荷荷，是吸附阳离子的主要原因。，是吸附阳离子的主要原因。结合水结合水阳离子交替吸附阳离子交替吸附第六章第六章 地下水的物理性地下水的物理性质质和化学成分及其演和化学成分及其演变变 胶体胶体氢氢氧化氧化铁铁在地壳中分布很广，也是在地壳中分布很广，也是铁铁在天然水中存在的在天然水中存在的主要形式之一。主要形式之一。在在还还原原环环境中，地下水中的境中，地下水中的铁铁通常以低价通常以低价Fe2+出出现现，亚铁亚铁离子离子在水中是不在水中是不稳稳定的，极易氧化成定的，极易氧化成氢氢氧化氧化铁铁析出：析出：氢氢氧化氧化铁铁氢氢氧化氧化铝铝 氢氢氧化氧化铝铝胶体主要由胶体主要由铝铝硅酸硅酸盐盐风风化分解而来，但很不化分解而来，但很不稳稳定，定，容易形成水容易形成水矾矾土、叶腊石等此生土、叶腊石等此生矿矿物，物，氢氢氧化氧化铝铝在地下水中含在地下水中含量不高。量不高。第六章第六章 地下水的物理性地下水的物理性质质和化学成分及其演和化学成分及其演变变2 2）有机质）有机质 地下水中的有机地下水中的有机质质大部分大部分由腐殖由腐殖质组质组成成，它是有机，它是有机质经质经微微生物生物分解后再合成分解后再合成的一种褐色或黑褐色的的一种褐色或黑褐色的胶体物胶体物质质。沼。沼泽泽地区地区的地下水，有机的地下水，有机质质含量高，呈酸性，油田水中的有机含量高，呈酸性，油田水中的有机质质含量最含量最高达高达n10-3。大气降水和海洋水中有机。大气降水和海洋水中有机质质含量最少，其他地下水含量最少，其他地下水中含量只有中含量只有n10-5。构成有机构成有机质质的主要元素的主要元素碳、碳、氢氢、氧、氧占占98.5%，此外，此外还还有少有少量的氮、磷、硫、量的氮、磷、硫、钾钾、钙钙等元素。等元素。地下水中有机地下水中有机质质主要主要来源来源是土壤或岩石石油天然气的溶解，是土壤或岩石石油天然气的溶解，细细菌或生物的作用，沿海菌或生物的作用，沿海盐盐水的入侵等。此外工水的入侵等。此外工业废业废水、石油、水、石油、天然气、煤等天然气、煤等矿产矿产开开发发，农业农业灌灌溉溉以及城市以及城市污污染等也能形成有染等也能形成有机机质质。第六章第六章 地下水的物理性地下水的物理性质质和化学成分及其演和化学成分及其演变变3 3）细菌成分（微生物）细菌成分（微生物）地下水中的地下水中的细细菌成分菌成分来自来自生活生活污污水、生物制品、造水、生物制品、造纸纸等各等各种工种工业废业废水，水，这这些些污污水中往往含有个中病原菌，流入水体后会水中往往含有个中病原菌，流入水体后会传传染各种疾病。此外，人染各种疾病。此外，人类类及及动动物的排泄物也能物的排泄物也能产产生致病菌，生致病菌，污污染地下水。染地下水。水的水的细细菌分析菌分析结结果一般用果一般用