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水文地质学基础Fundamentals of Hydrogeology石家庄经济学院工程学院第六章第六章 地下水的化学成分及其形成作用地下水的化学成分及其形成作用6.1 6.1 概述概述6.2 6.2 地下水的化学特征地下水的化学特征6.3 6.3 地下水的温度地下水的温度6.4 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 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 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6.1 6.1 概述概述地下水是一种复杂的溶液地下水是一种复杂的溶液：赋存于赋存于岩石圈岩石圈中中,不断与岩土发生化学反应不断与岩土发生化学反应;与与大气大气圈圈、水圈水圈和和生物圈生物圈进行水量进行水量和和化学成分的交换。化学成分的交换。人类活动人类活动的影响改变了地下水的化学面貌。的影响改变了地下水的化学面貌。地下水的化学成分是地下水与环境地下水的化学成分是地下水与环境（自然（自然地理、地地理、地质背景、人类活动质背景、人类活动）长期相互作用长期相互作用的的产物。产物。某某区地下水的化学面貌区地下水的化学面貌,反映该区地下水的历史演变。反映该区地下水的历史演变。研究地下水的化学成分，可以帮助我们回溯一个地研究地下水的化学成分，可以帮助我们回溯一个地区的水文地质历史，阐明地下水的起源与形成。区的水文地质历史，阐明地下水的起源与形成。水是最为常见的良好溶剂水是最为常见的良好溶剂：它溶解、搬运岩土组分它溶解、搬运岩土组分,并在某些情况下并在某些情况下将某些组分从水中析出。将某些组分从水中析出。水是地球中元素迁移、分散与富集的载体水是地球中元素迁移、分散与富集的载体：许多地质过程许多地质过程(岩溶、沉积、成岩、变质、岩溶、沉积、成岩、变质、成矿）都涉及地下水的化学作用。成矿）都涉及地下水的化学作用。根据不同用途根据不同用途，利用地下水都对利用地下水都对其其水水质有一定要求质有一定要求,并要进行并要进行水质评价水质评价：饮用水饮用水水质评价水质评价 工业用水水质评价工业用水水质评价 农业用水水质评价农业用水水质评价 工程建设项目用水水质评价工程建设项目用水水质评价 地下水是宝贵的液体矿产地下水是宝贵的液体矿产：含大量盐类含大量盐类(如如NaClNaCl、KClKCl)或富集某或富集某些稀散元素些稀散元素(Br(Br、I I、B B、SrSr等等)的地下水是的地下水是宝贵的工业原料；宝贵的工业原料；某些具有特殊物理性质与化学成分的某些具有特殊物理性质与化学成分的水具有水具有医疗意义医疗意义；盐矿、油田盐矿、油田、金属矿床金属矿床所所形成特定化学元形成特定化学元素的分散晕圈是素的分散晕圈是找矿的重要标志找矿的重要标志。污染物在地下水中散布污染物在地下水中散布,也会形成晕圈。也会形成晕圈。这就需要查明有关物质的迁移、分散规律这就需要查明有关物质的迁移、分散规律,确定矿床或污染源的位置确定矿床或污染源的位置。地下水中化学元素地下水中化学元素迁移迁移、集聚集聚、分散分散的的规律规律水文地球化学的研究内容。水文地球化学的研究内容。地下水中元素迁移不能脱离水的流动地下水中元素迁移不能脱离水的流动；水文地球化学的研究必须与地下水运动水文地球化学的研究必须与地下水运动的研究紧密结合。的研究紧密结合。地下水水质的演变具有时间上继承的特点地下水水质的演变具有时间上继承的特点：自然地理自然地理与与地质发展历史地质发展历史给予地下水的给予地下水的化学面貌以深刻影响，故不能从纯化学角度化学面貌以深刻影响，故不能从纯化学角度,孤立、静止地研究地下水的化学成分及其孤立、静止地研究地下水的化学成分及其形成形成,必须从水与环境长期相互作用的角度必须从水与环境长期相互作用的角度,去揭示地下水化学演变的内在依据与规律。去揭示地下水化学演变的内在依据与规律。6.6.2 2 地下水的化学特征地下水的化学特征主要气体成分主要气体成分主要离子成分主要离子成分其他成分其他成分总矿化度及化学成分表示式总矿化度及化学成分表示式一、地下水中主要气体成分一、地下水中主要气体成分 地下水中常见的气体成分：地下水中常见的气体成分：O2、N2、CO2、CH4、H2S等。尤以前三种为主。等。尤以前三种为主。通常情况下，通常情况下，地下水中气体含量不高，只有几地下水中气体含量不高，只有几mg/L到到几十几十mg/L。研究地下水中气体成分的意义：研究地下水中气体成分的意义：气体成分气体成分能够说明地下水所处的地球化学环境；能够说明地下水所处的地球化学环境；水中有些气体水中有些气体会增加水溶解盐类的能力，促进某些会增加水溶解盐类的能力，促进某些化学反应。化学反应。1.1.氧（氧（0 02 2）、氮（）、氮（N N2 2）地下水中的地下水中的氧气氧气和和氮气氮气主要主要来源于大气来源于大气。它们。它们随大气降水及地表水补给地下水随大气降水及地表水补给地下水,故以入渗补故以入渗补给为主、给为主、与大气圈关系密切的地下水中含与大气圈关系密切的地下水中含0 02 2 、N N2 2 较多较多。溶解氧含量愈多溶解氧含量愈多,说明地下水所处的地球化学说明地下水所处的地球化学环境（环境（氧化环境氧化环境）愈）愈有利于氧化作用有利于氧化作用进行。进行。1.1.氧（氧（0 02 2）、氮（）、氮（N N2 2）02的化学性质远较的化学性质远较N2活泼，在较封闭的环境中，活泼，在较封闭的环境中，02将耗尽而只留下将耗尽而只留下N2。因此，。因此，N2的单独存在，通的单独存在，通常可说明地下水起源于大气并处于还原环境常可说明地下水起源于大气并处于还原环境。大气中的惰性气体（大气中的惰性气体（A、Kr、Xe）与）与N2的比例恒的比例恒定，即定，即(A+Kr+Xe)/N2=0.0118。比值等于此数，比值等于此数，说明说明N2是大气起源的是大气起源的；小于此数，则表明水中含小于此数，则表明水中含有生物起源或变质起源的有生物起源或变质起源的N2。2.2.硫化氢硫化氢(H(H2 2S)S)、甲烷（甲烷（CHCH4 4）:地下水中出现地下水中出现H H2 2S S、CHCH4 4,其意义与出现其意义与出现O O2 2相反相反,说明说明处于还原的地球化学环境处于还原的地球化学环境（还原环境还原环境）。）。这两种气体的生成这两种气体的生成,均在与大气比较隔绝的环均在与大气比较隔绝的环境中境中,有有机物存在有有机物存在,微生物参与的生物化学过微生物参与的生物化学过程有关。其中程有关。其中,H H2 2S S 是是SOSO4 42-2-的还原产物的还原产物。3.3.二氧化碳二氧化碳(C0(C02 2）：）：地下水中的地下水中的C0C02 2主要来源于土壤主要来源于土壤（有机质残骸的发酵作用与（有机质残骸的发酵作用与植物的呼吸作用使土壤中源源不断产生植物的呼吸作用使土壤中源源不断产生C0C02 2并溶入流经土壤并溶入流经土壤的地下水中）。的地下水中）。含碳酸盐类的岩石含碳酸盐类的岩石,在深部高温下，可变质生成在深部高温下，可变质生成C0C02 2。在少数情况下在少数情况下,地下水中可能富含地下水中可能富含C0C02 2 甚至高达甚至高达1g/L1g/L以上。以上。煤、石油、天然气燃料煤、石油、天然气燃料,使大气中人为产生的使大气中人为产生的C0C02 2明显增加。明显增加。大气中大气中C0C02 2浓度的不断上升，引起了严重的温室效应，使气浓度的不断上升，引起了严重的温室效应，使气温上升温上升。地下水中含地下水中含C0C02 2越多，其越多，其溶解碳酸盐岩溶解碳酸盐岩与与对结晶岩进行风化对结晶岩进行风化作用作用的能力越强。的能力越强。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分布最广、含量较多的离子地下水中分布最广、含量较多的离子（七种七种）：ClCl-、SOSO4 42-2-、HCOHCO3 3-、NaNa+、K K+、CaCa2+2+、MgMg2+2+。构成这些离子的元素，或是地壳中构成这些离子的元素，或是地壳中含量较高含量较高，且较易溶且较易溶于水于水的（如的（如O O2 2、CaCa、MgMg、NaNa、K K）；或是地壳中或是地壳中含量虽含量虽不很大不很大，但极易溶于水但极易溶于水的（的（ClCl、以、以SOSO4 42-2-形式出现的形式出现的S S）。）。SiSi、AlAl、FeFe等元素，等元素，虽然在地壳中含量很大虽然在地壳中含量很大，但由于难但由于难溶于水溶于水，地下水中含量通常不大。，地下水中含量通常不大。一般情况下一般情况下,随着总矿化度随着总矿化度(总溶解固体）的变化总溶解固体）的变化,地地下水中占下水中占主要地位的离子成分也随之发生变化主要地位的离子成分也随之发生变化，即：，即：低矿化水低矿化水中以中以HC0HC03 3-、CaCa2+2+、MgMg2+2+为主为主;高矿化水高矿化水以以ClCl-、NaNa+为主为主;中等矿化水中中等矿化水中,阴离子常以阴离子常以S0S04 42-2-为主为主,主要阳离主要阳离子为子为NaNa+、CaCa2+2+。v地下水的地下水的矿化度与离子成分间之所以具有这种矿化度与离子成分间之所以具有这种对应关系对应关系,主要主要原因原因是水中盐类的溶解度不同是水中盐类的溶解度不同总的规律：总的规律：氯盐的溶解度氯盐的溶解度 硫酸盐硫酸盐 碳酸盐碳酸盐矿化度异常高的地下水中以氯和钙为主的原因：矿化度异常高的地下水中以氯和钙为主的原因：钙的硫酸盐钙的硫酸盐,特别是特别是钙、镁的碳酸盐钙、镁的碳酸盐,溶解度最溶解度最小小;随着随着矿化度增大矿化度增大,钙、镁的碳酸盐首先达到饱和钙、镁的碳酸盐首先达到饱和并沉淀析出并沉淀析出,继续增大时继续增大时,钙的硫酸盐也饱和析出钙的硫酸盐也饱和析出,因因此此,高矿化水中便以易溶的氯和钠占优势（由于氯化高矿化水中便以易溶的氯和钠占优势（由于氯化钙的溶解度更大钙的溶解度更大,故在矿化度异常高的地下水中以氯故在矿化度异常高的地下水中以氯和钙为主）。和钙为主）。氯离子氯离子(Cl-)氯离子在地下水中氯离子在地下水中广泛分布广泛分布,但但低矿化低矿化水中一般含量仅数水中一般含量仅数mg/L到数十到数十mg/L,高矿化高矿化水中可达数水中可达数g/L乃至乃至100 g/L以上以上。地下水中地下水中Cl-的主要来源的主要来源:沉积岩沉积岩中所含中所含岩盐或其它氯化物岩盐或其它氯化物的的溶解溶解;岩浆岩岩浆岩中含中含氯矿物氯矿物方钠石方钠石NaAlSiO4N aCl、氯磷灰石、氯磷灰石Ca5(PO4)3Cl的的风化溶解风化溶解;海水海水：海水补给地下水，或来自海面的风将细沫状的海水带：海水补给地下水，或来自海面的风将细沫状的海水带到陆地，使地下水中到陆地，使地下水中Cl-增多增多;火山喷发物火山喷发物的的溶滤溶滤;人为污染人为污染:工业、生活污水及粪便中含有大量工业、生活污水及粪便中含有大量Cl-。Cl-不为植物及细菌所摄取，不被土粒表面吸附，氯盐溶解度不为植物及细菌所摄取，不被土粒表面吸附，氯盐溶解度大，不易沉淀析出，是地下水中最稳定的离子。大，不易沉淀析出，是地下水中最稳定的离子。Cl-的含量随的含量随着矿化度增长而不断增加，着矿化度增长而不断增加，Cl-的含量常可用来说明地下水的的含量常可用来说明地下水的矿化程度矿化程度。硫酸根离子（硫酸根离子（SOSO4 42-2-）：）：不同矿化程度水中（不同矿化程度水中（SOSO4 42-2-）的含量）的含量：高矿化水高矿化水,含量仅次于含量仅次于ClCl-,可达数可达数g/L;g/L;低矿化水低矿化水,一般含量仅数一般含量仅数mg/L;mg/L;中等矿化水中等矿化水,SO,SO4 42-2-常成为含量最多的阴离子。常成为含量最多的阴离子。硫酸根离子（硫酸根离子（SOSO4 42-2-）来源）来源：含石膏或其它硫酸盐的沉积岩的溶解含石膏或其它硫酸盐的沉积岩的溶解。煤系地层含有黄铁矿；金属硫化物煤系地层含有黄铁矿；金属硫化物矿床附近。矿床附近。燃烧燃烧给大气人为产生的给大气人为产生的SOSO2 2与氮氧化合物，构成与氮氧化合物，构成富含硫酸及硝酸的降水富含硫酸及硝酸的降水（酸雨）（酸雨）,使地下水中使地下水中SOSO4 42-2-增增加。加。重碳酸根离子（重碳酸根离子（HC0HC03 3-）：）：地下水中的重碳酸的来源：地下水中的重碳酸的来源：含碳酸盐的沉积岩与变质岩（如大理岩）；含碳酸盐的沉积岩与变质岩（如大理岩）；岩浆岩与变质岩区岩浆岩与变质岩区,铝硅酸盐矿物的风化溶铝硅酸盐矿物的风化溶解解,如如:(:(钠长石、钙长石）；钠长石、钙长石）；地下水中地下水中HC0HC03 3-的含量：的含量：一般不超过数百一般不超过数百mg/L,HC0mg/L,HC03 3-总是低矿化水的主总是低矿化水的主要阴离子成分。要阴离子成分。钠离子（钠离子（NaNa+）:含量：含量：低矿化水中低矿化水中含量一般很低含量一般很低,仅数仅数mg/Lmg/L到数十到数十mg/L;mg/L;高矿化水中高矿化水中主要的阳离子，含量最高可达数十主要的阳离子，含量最高可达数十g/Lg/L。来源：来源：沉积岩中沉积岩中岩盐及其它钠盐的溶解岩盐及其它钠盐的溶解；海水海水；岩浆岩和变质岩区岩浆岩和变质岩区含钠矿物的风化溶解含钠矿物的风化溶解。钾离子（钾离子（K K+）：）：钾离子的来源：钾离子的来源：含钾盐类含钾盐类沉积岩的沉积岩的溶解溶解；岩浆岩、变质岩中岩浆岩、变质岩中含钾矿物含钾矿物的的风化溶解风化溶解。低矿化水中含量甚微，高矿化水中较多。低矿化水中含量甚微，高矿化水中较多。K K+大量地参与形成不溶于水的次生矿物（水云母、蒙脱大量地参与形成不溶于水的次生矿物（水云母、蒙脱石、绢云母），并易为植物所摄取，因此，石、绢云母），并易为植物所摄取，因此，地下水中地下水中K K+的含量要比的含量要比NaNa+少得多少得多。K K+的性质与的性质与NaNa+相近，含量少，分析比较费事，故一般相近，含量少，分析比较费事，故一般情况下，将情况下，将K K+归并到归并到NaNa+中，不另区分。中，不另区分。钙离子（钙离子（CaCa2+2+）:含量：含量：低矿化水低矿化水中的主要阳离子中的主要阳离子,其含量一般不超其含量一般不超过数百过数百mg/Lmg/L。高矿化水高矿化水中中,因阴离子主要为因阴离子主要为ClCl-,而而CaClCaCl2 2的溶解度相当大，故的溶解度相当大，故CaCa2+2+的绝对含量显著增大的绝对含量显著增大,但但仍远低于仍远低于NaNa+。矿化度格外高的水矿化度格外高的水,钙也可成为主钙也可成为主要离子。要离子。来源：来源：碳酸盐类碳酸盐类沉积物及沉积物及含石膏沉积物含石膏沉积物的的溶解溶解；岩浆岩、变质岩中岩浆岩、变质岩中含钙矿物含钙矿物的的风化溶解风化溶解。镁离子（镁离子（MgMg2+2+）：）：来源：来源：沉积岩：沉积岩：含镁的碳酸盐类含镁的碳酸盐类沉积沉积(白云岩、泥灰岩）白云岩、泥灰岩）；岩浆岩、变质岩中岩浆岩、变质岩中含镁矿物含镁矿物的的风化溶解风化溶解。含量含量：低矿化水低矿化水中含量通常较中含量通常较CaCa2+2+少少,通常不成为地下通常不成为地下水中的主要离子水中的主要离子,部分原因是由于地壳组成中部分原因是由于地壳组成中MgMg比比CaCa少。少。三、地下水中的其它成分三、地下水中的其它成分地下水中的次要离子：地下水中的次要离子：如如H+、Fe2+、Fe3+、Mn2+、OH-、NO2-、NH4+。地下水中的微量组分：地下水中的微量组分：Br、I、F、B、Sr等。等。胶体胶体：地下水中以未离解的化合物构成的胶体，主：地下水中以未离解的化合物构成的胶体，主要有要有Fe（OH）3、Al（OH）3及及H2SiO3等。等。有机质：有机质：常以常以胶体方式胶体方式存在于地下水中。存在于地下水中。微生物：微生物：地下水中存在各种微生物。例如地下水中存在各种微生物。例如,氧化环氧化环境中境中存在存在硫细菌硫细菌、铁细菌铁细菌等等;还原环境还原环境存在存在脱硫酸脱硫酸细菌细菌等等;污染水中污染水中有各种有各种致病细菌致病细菌。四、地下水的总矿化度及化学成分表示式四、地下水的总矿化度及化学成分表示式总矿化度的概念：总矿化度的概念：地下水中所含地下水中所含各种离子各种离子、分子分子与与化合物化合物的总量的总量称为称为总矿总矿化度化度(总溶解固体）总溶解固体）,以每升水中所含克数（以每升水中所含克数（g/Lg/L）表示。）表示。总矿化度的表征方式：总矿化度的表征方式：a.a.习惯上以习惯上以105 105 一一110 110 时将水蒸干所得的时将水蒸干所得的干涸残余干涸残余物总量物总量来表征；来表征；b.b.在水质简分析中是用分析所得的阴阳离子含量相加，在水质简分析中是用分析所得的阴阳离子含量相加，然后减去然后减去HCOHCO3 3-含量的一半，作为水的矿化度。含量的一半，作为水的矿化度。为什么要减去一半，这是因为在蒸干时有将近一半的为什么要减去一半，这是因为在蒸干时有将近一半的HCOHCO3 3-分解生成分解生成COCO2 2及及H H2 2O O而逸失，同时保证与干涸残余物的重量相匹配。而逸失，同时保证与干涸残余物的重量相匹配。库尔洛夫式表示法：库尔洛夫式表示法：横线上下：横线上下：表示阴阳离子表示阴阳离子分别按毫克当量百分数自分别按毫克当量百分数自大到小顺序排列大到小顺序排列,小于小于10%10%的离子不予表示。的离子不予表示。横线前：横线前：依次依次表示表示特殊成分特殊成分、气体成分气体成分、矿化度矿化度(以字以字母母M M为代号为代号),),单位为单位为g/Lg/L；横线后：横线后：以字母以字母t t为代号表示以摄氏计的为代号表示以摄氏计的水温水温。地下水的物理性质包括水温、颜色、透明度、味道、气地下水的物理性质包括水温、颜色、透明度、味道、气味、比重、放射性、导电性。味、比重、放射性、导电性。一、地下水的温度一、地下水的温度 地下水的温度主要受当地地温变化的地下水的温度主要受当地地温变化的影响影响。要研究。要研究地下水的温度，首先要研究地温的变化规律。地下水的温度，首先要研究地温的变化规律。地壳表层有两个热能来源地壳表层有两个热能来源:太阳的辐射；太阳的辐射；地球内部的热流。地球内部的热流。6.3 6.3 地下水的温度地下水的温度根据受热源影响的情况根据受热源影响的情况,地壳表层温度可分三带：地壳表层温度可分三带：变温带变温带受太阳辐射影响的地表极薄的受太阳辐射影响的地表极薄的温度变化温度变化带。带。常温带常温带变温带以下一个厚度极小的带变温带以下一个厚度极小的带增温带增温带常温带以下常温带以下,地温受地球内热影响的地温受地球内热影响的带带 变温带特征：变温带特征：处于受太阳辐射影响的地表极薄的带。处于受太阳辐射影响的地表极薄的带。由于由于太阳辐射能的周期变化太阳辐射能的周期变化,本带呈现本带呈现地温的地温的昼夜变化昼夜变化和和季节变化季节变化。地温昼夜变化地温昼夜变化影响地表以下影响地表以下1-2m1-2m深深。变温带的。变温带的下下限深度一般为限深度一般为15-30m15-30m。地温年变化小于。地温年变化小于0.10.1。常温带的特征：常温带的特征：处于变温带以下一个厚度极小的地带。处于变温带以下一个厚度极小的地带。地温一般比当地年平均气温地温一般比当地年平均气温高出高出1一一2，可将当地的多年，可将当地的多年平均气温作为常温带地温。平均气温作为常温带地温。增温带：增温带：常温带以下常温带以下,地温受地球内热影响，随深度加大而有规律地地温受地球内热影响，随深度加大而有规律地升高。升高。增温带中的地温变化用增温带中的地温变化用地温梯度表示地温梯度表示。地温梯度：指每增加单位深度时地温的增值，一般以地温梯度：指每增加单位深度时地温的增值，一般以/100m为单位。为单位。地温梯度的平均值约为地温梯度的平均值约为3/100m。通常变化于。通常变化于1.5-4/100m之间，但个别新火山活动区可以很高。之间，但个别新火山活动区可以很高。地下水的温度受其赋存与循环所处的地温控制：地下水的温度受其赋存与循环所处的地温控制：变温带变温带中浅埋地下水显示中浅埋地下水显示微小的水温季节变化微小的水温季节变化。常温带常温带地下水温与地下水温与当地年平均气温当地年平均气温很接近。很接近。增温带增温带地下水随其赋存与循环深度的加大而地下水随其赋存与循环深度的加大而提高提高,成为热成为热水甚至蒸汽。水甚至蒸汽。利用年平均气温利用年平均气温t t、年常温带深度、年常温带深度h h、地温梯度、地温梯度r r，可计算，可计算某一深度某一深度H H的地下水水温的地下水水温T T。T=T=t+(H-h)rt+(H-h)r 同样，利用地下水水温同样，利用地下水水温T T，可以推算地下水的大致，可以推算地下水的大致循环深循环深度度H H。二、地下水的其它物理性质二、地下水的其它物理性质 一般地下水都是无色、无味、透明、含盐量低的液体，一般地下水都是无色、无味、透明、含盐量低的液体，当地下水中含有某些化学成分时，地下水的物理性质就发生当地下水中含有某些化学成分时，地下水的物理性质就发生变化。如：变化。如：含含H H2 2SS翠绿色翠绿色臭鸡蛋气味臭鸡蛋气味含含FeFe3+3+淡蓝色淡蓝色铁腥味铁腥味含腐殖质含腐殖质暗黄色暗黄色鱼腥味鱼腥味含含H H2 2COCO3 3有甜味；有甜味；NaClNaCl有咸味；有咸味；NaNa2 2SOSO4 4有涩味；有涩味；MgClMgCl2 2、MgSOMgSO4 4有有苦味；苦味；H H2 2S S与碳酸气同时存在有酸味。与碳酸气同时存在有酸味。6.6.4 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溶滤作用溶滤作用浓缩作用浓缩作用脱碳酸作用脱碳酸作用脱硫酸作用脱硫酸作用阳离子交替吸附作用阳离子交替吸附作用混合作用混合作用人类活动在地下水化学成分形成中的作用人类活动在地下水化学成分形成中的作用一、溶滤作用一、溶滤作用溶滤作用的概念：溶滤作用的概念：在水与岩土相互作用下在水与岩土相互作用下,岩土中一部分物岩土中一部分物质转入地下水中质转入地下水中溶滤作用。溶滤作用。溶滤作用的结果：溶滤作用的结果：岩土失去一部分可溶物质岩土失去一部分可溶物质,地下水补充了地下水补充了新的组分。新的组分。水分子结构：水分子结构：由由一个带负电一个带负电的氧离子的氧离子和和两个带两个带正电的氢离子正电的氢离子组成组成的。的。由于氢和氧分由于氢和氧分布不对称布不对称,在在接近接近氧原子一端形成负氧原子一端形成负极极,氢离子一端形氢离子一端形成正极成正极,成为偶极成为偶极分子。分子。岩土与水接触时岩土与水接触时,组成结晶格架的组成结晶格架的盐类离盐类离子子,被水分子带相反电被水分子带相反电荷的一端所吸引荷的一端所吸引；当水分子对离子的当水分子对离子的引力足以克服结晶格架引力足以克服结晶格架中离子间的引力时中离子间的引力时,离离子脱离晶架子脱离晶架,被水分子被水分子所包围所包围,溶入水中（图溶入水中（图2)2)。当当矿物盐类矿物盐类与与水溶液水溶液接触接触时时,同时同时发生发生两种两种方方向相反的向相反的作用作用:溶解作用、结晶作用溶解作用、结晶作用 溶解作用溶解作用使离子由结晶格架转入水中；使离子由结晶格架转入水中；而而结结晶作用晶作用使离子从溶液中固着于晶体格架上使离子从溶液中固着于晶体格架上。随着溶液中盐类离子增加随着溶液中盐类离子增加,结晶作用加强结晶作用加强,溶溶解作用减弱。解作用减弱。当同一时间内当同一时间内溶解与析出的盐量相等时溶解与析出的盐量相等时,溶液溶液达到饱和达到饱和。此时。此时,溶液中某种盐类的含量即为其溶液中某种盐类的含量即为其溶溶解度解度。随着随着温度上温度上升升,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,离子间离子间引力削弱引力削弱,水的极化分子易于水的极化分子易于将将离子从结晶格架离子从结晶格架上拉出上拉出。故故盐类溶解度盐类溶解度通常随温度上升而通常随温度上升而增大增大。影响溶滤作用强度的因素影响溶滤作用强度的因素岩土矿物岩土矿物盐类的溶解度盐类的溶解度（如（如NaClNaCl与与SiOSiO2 2）岩土的岩土的空隙特征空隙特征（如致密基岩）（如致密基岩）水的水的溶解能力溶解能力（溶解度，低矿化水溶解能力强）（溶解度，低矿化水溶解能力强）水中的水中的O O2 2、COCO2 2等等气体成分的含量气体成分的含量 O O2 2高，溶解硫化物能力强，高，溶解硫化物能力强，COCO2 2高，溶解碳酸盐及硅酸高，溶解碳酸盐及硅酸盐的能力强。盐的能力强。水的水的流动状况流动状况：径流与交替强度：径流与交替强度最活跃、最关键因素。最活跃、最关键因素。注意：注意：溶滤作用溶滤作用与与溶解作用溶解作用在内涵上的区别在内涵上的区别 溶滤作用：溶滤作用：在不破坏晶体结晶格架情况下，部分组分进入地下水中的作用。如难在不破坏晶体结晶格架情况下，部分组分进入地下水中的作用。如难 溶的硅铝酸盐中的某些成分。溶的硅铝酸盐中的某些成分。溶解作用：溶解作用：破坏了矿物的结晶格架，使矿物的全部成分进入地下水中。如氯化钠。破坏了矿物的结晶格架，使矿物的全部成分进入地下水中。如氯化钠。溶滤作用具有溶滤作用具有时间上的阶段性时间上的阶段性和和空间上的差异性空间上的差异性。时间上的阶段性时间上的阶段性 设想岩层中原来有氯化物设想岩层中原来有氯化物+硫酸盐硫酸盐+碳酸盐碳酸盐+硅酸盐等各种矿物盐类。硅酸盐等各种矿物盐类。开始阶段，氯化物最易于由岩层转入水中，成为地下水中主要化学组开始阶段，氯化物最易于由岩层转入水中，成为地下水中主要化学组分。分。随着溶滤作用延续，岩层含有的氯化物由于不断转入水中并被水流带随着溶滤作用延续，岩层含有的氯化物由于不断转入水中并被水流带走而贫化，相对易溶的硫酸盐成为迁入水中的主要组分。走而贫化，相对易溶的硫酸盐成为迁入水中的主要组分。溶滤作用长期持续，岩层中保留下来的几乎只是难溶的碳酸盐及硅酸溶滤作用长期持续，岩层中保留下来的几乎只是难溶的碳酸盐及硅酸盐，地下水的化学成分当然也就以碳酸盐及硅酸盐为主了。盐，地下水的化学成分当然也就以碳酸盐及硅酸盐为主了。因此，一个地区经受溶滤愈强烈，时间愈长，地下水的矿化度愈低，因此，一个地区经受溶滤愈强烈，时间愈长，地下水的矿化度愈低，愈是以难溶离子为其主要成分。愈是以难溶离子为其主要成分。空间上的差异性空间上的差异性 气候愈是潮湿多雨，地质构造的开启性愈好，岩层的导水能力愈强，气候愈是潮湿多雨，地质构造的开启性愈好，岩层的导水能力愈强，地形切割愈强烈，地下径流与水交暂愈迅速，岩层经受的溶滤便愈充分，保留地形切割愈强烈，地下径流与水交暂愈迅速，岩层经受的溶滤便愈充分，保留的易溶盐类便愈贫乏，地下水的矿化度愈低，难溶离子的相对含量也就愈高。的易溶盐类便愈贫乏，地下水的矿化度愈低，难溶离子的相对含量也就愈高。二、浓缩作用二、浓缩作用 当地下水位埋藏不深当地下水位埋藏不深,蒸发成为地下水的主蒸发成为地下水的主要排泄方式。要排泄方式。由于蒸发作用只排走水分由于蒸发作用只排走水分,盐分仍保留在余盐分仍保留在余下地下水中下地下水中,随着时间延续随着时间延续,地下水溶液逐渐浓缩地下水溶液逐渐浓缩,矿化度不断增大矿化度不断增大。同时同时,随着地下水矿化度上升随着地下水矿化度上升,溶解度较小溶解度较小的盐类在水中相继达到饱和而沉淀析出的盐类在水中相继达到饱和而沉淀析出,易溶盐易溶盐类（如类（如NaClNaCl)的离子逐渐成为水中主要成分。的离子逐渐成为水中主要成分。浓缩作用（过程）理想模式浓缩作用（过程）理想模式0.5L水水1.0 L水水0.25L 水水产生浓缩作用必须同时具备的条件产生浓缩作用必须同时具备的条件:干旱或半干旱的干旱或半干旱的气候气候；低平地势控制下较浅的地下水位低平地势控制下较浅的地下水位埋深埋深；有利于毛细作用的颗粒细小的松散岩土有利于毛细作用的颗粒细小的松散岩土；地下水流动系统的势汇地下水流动系统的势汇排泄处。排泄处。干旱或半干旱气候下，浓缩作用的规干旱或半干旱气候下，浓缩作用的规模模取决于地下水流动系统的取决于地下水流动系统的空间尺度空间尺度以及以及其持续的其持续的时间尺度时间尺度。三、脱碳酸作用三、脱碳酸作用水中水中COCO2 2的溶解度受环境的温度和压力控制。的溶解度受环境的温度和压力控制。脱碳酸作用概念：脱碳酸作用概念：COCO2 2的的溶解度溶解度随温度升高或压力降低而随温度升高或压力降低而减小减小,一部分一部分COCO2 2成为游离成为游离COCO2 2从水中逸出从水中逸出脱碳酸作用。脱碳酸作用。脱碳酸的结果：脱碳酸的结果：地下水中地下水中HC0HC03 3-及及CaCa2+2+、MgMg2+2+减少减少,矿化度矿化度降低降低:CaCa2+2+2HC0+2HC03 3-CO CO2 2+H+H2 20+CaC00+CaC03 3 MgMg2+2+2HC0+2HC03 3-CO CO2 2+H+H2 20+MgC00+MgC03 3 深部地下水上升成泉，因脱碳酸作用，泉口形成钙深部地下水上升成泉，因脱碳酸作用，泉口形成钙华；温度较高的深层地下水，因脱碳酸作用使华；温度较高的深层地下水，因脱碳酸作用使CaCa2+2+、MgMg2+2+从水中析出，阳离子以从水中析出，阳离子以NaNa+为主。为主。四、脱硫酸作用四、脱硫酸作用 在在还原环境还原环境中中,当有有机质存在时当有有机质存在时,脱硫酸细菌脱硫酸细菌能使能使SOSO4 42-2-还原为还原为H H2 2S S：SOSO4 42-2-+2C+2H+2C+2H2 2OHOH2 2S+2HC0S+2HC03 3-结果结果：使地下水中：使地下水中SOSO4 42-2-减少以至消失减少以至消失,HC0,HC03 3-增增加加,pH,pH值变大。值变大。封闭的地质构造是产生脱硫酸作用的有利环封闭的地质构造是产生脱硫酸作用的有利环境。故某些油田水中出现境。故某些油田水中出现 H H2 2S,S,而而SOSO4 42-2-含量很低。含量很低。这一特征可作为这一特征可作为寻找油田的辅助标志寻找油田的辅助标志。五、阳离子交替吸附作用五、阳离子交替吸附作用 阳离子交替吸附作用：阳离子交替吸附作用：岩土颗粒表面带有负电荷岩土颗粒表面带有负电荷,能够吸附阳离能够吸附阳离子子。一定条件下。一定条件下,颗粒将吸附地下水中某些阳颗粒将吸附地下水中某些阳离子离子,而将其原来吸附的部分阳离子转为地下而将其原来吸附的部分阳离子转为地下水中的组分水中的组分阳离子交替吸附作用阳离子交替吸附作用。当含当含CaCa2+2+为主的地下水为主的地下水,进入主要吸附有进入主要吸附有NaNa+的岩土时的岩土时,水中的水中的CaCa2+2+便置换岩土所吸附的便置换岩土所吸附的一部分一部分NaNa+,使地下水中使地下水中NaNa+增多而增多而CaCa2+2+减小。减小。不同不同阳离子阳离子吸附于岩土表面的能力不吸附于岩土表面的能力不同，按吸附能力自大到小的排序：同，按吸附能力自大到小的排序：H H+Fe Fe3+3+Al Al3+3+Ca Ca2+2+Mg Mg2+2+K K+Na Na+离子价越高，离子半径越大，水化离子半离子价越高，离子半径越大，水化离子半径越小，吸附能力越大。径越小，吸附能力越大。H H+例外。例外。地下水中某种离子的相对浓度增大，该种离子的交地下水中某种离子的相对浓度增大，该种离子的交替吸附能力（置换岩土所吸附的离子的能力）随之替吸附能力（置换岩土所吸附的离子的能力）随之增大。增大。例如，当地下水中以例如，当地下水中以NaNa+为主，而岩土中原来为主，而岩土中原来吸附有较多的吸附有较多的CaCa2+2+，那么，水中的，那么，水中的NaNa+将反过来置换将反过来置换岩土吸附的部分岩土吸附的部分CaCa2+2+。海水侵入陆相沉积物时，就。海水侵入陆相沉积物时，就是这种情况。是这种情况。阳离子交替吸附作用的规模取决于阳离子交替吸附作用的规模取决于岩土的吸附能力。岩土的吸附能力。岩土的吸附能力岩土的吸附能力决定于岩土的比表面积。决定于岩土的比表面积。颗粒越细，颗粒越细，比表面积越大，交替吸附作用的规模就越大。故粘比表面积越大，交替吸附作用的规模就越大。故粘土及粘土岩类最容易发生交替吸附作用，而致密的土及粘土岩类最容易发生交替吸附作用，而致密的结晶岩中，实际上不发生这种作用。结晶岩中，实际上不发生这种作用。六、混合作用六、混合作用混合作用的概念：混合作用的概念：成分不同的两种水汇合在一起成分不同的两种水汇合在一起,形成化学成形成化学成分与原来两者都不相同的地下水分与原来两者都不相同的地下水混合作用。混合作用。混合水的矿化度与化学类型取决于参与混混合水的矿化度与化学类型取决于参与混合的两种水的成分及其混合比例：合的两种水的成分及其混合比例：两种水的混合可能产生或不产生明显两种水的混合可能产生或不产生明显的化学反应。的化学反应。七、人类活动在地下水化学成分形成中的作用七、人类活动在地下水化学成分形成中的作用 近年来近年来,随着社会生产力与人口的随着社会生产力与人口的增长增长,人类活动对地下水化学成分的影响愈来人类活动对地下水化学成分的影响愈来愈大：愈大：人类活动产生的人类活动产生的废弃物废弃物污染地下水污染地下水；人为作用大规模地人为作用大规模地改变了地下水形成条件改变了地下水形成条件,从从而使地下水化学成分发生变化。而使地下水化学成分发生变化。6.6.5 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不同领域学者比较一致的结论：不同领域学者比较一致的结论：地球上的水圈是原始地壳生成后，氢和氧地球上的水圈是原始地壳生成后，氢和氧随同其它易挥发组分从地球内部层圈逸出而形随同其它易挥发组分从地球内部层圈逸出而形成的成的地下水起源于地球深部层圈。地下水起源于地球深部层圈。地下水的主要成因类型地下水的主要成因类型（从形成地下水化学成（从形成地下水化学成分的基本成因出发）：分的基本成因出发）：溶滤水、沉积水、内生水溶滤水、沉积水、内生水 一、一、溶滤水溶滤水 富含富含C0C02 2与与0 02 2的渗入成因的地下水的渗入成因的地下水,溶溶滤它所流经的岩土而获得其主要化学成滤它所流经的岩土而获得其主要化学成分分,这种水称之为这种水称之为溶滤水溶滤水。溶滤水的成分受到岩性、气候、地溶滤水的成分受到岩性、气候、地貌等因素的影响。貌等因素的影响。岩性对溶滤水的影响岩性对溶滤水的影响：石灰岩、白云岩分布区的地下水石灰岩、白云岩分布区的地下水,HC0,HC03 3-、CaCa2 2+、MgMg2+2+为其主要成分。为其主要成分。含石膏的沉积岩区含石膏的沉积岩区,水中水中SOSO4 42-2-与与CaCa2+2+均较多。均较多。酸性岩浆岩地区的地下水大都为酸性岩浆岩地区的地下水大都为HC0HC03 3-NaNa型型水。水。基性岩浆岩地区基性岩浆岩地区,地下水中常富含地下水中常富含MgMg2+2+。煤系地层分布区与金属矿床分布区多形成硫煤系地层分布区与金属矿床分布区多形成硫酸盐水。酸盐水。岩土的各种组分的迁移能力各不相同：岩土的各种组分的迁移能力各不相同：在潮湿气候下在潮湿气候下，原含有大量易溶盐类，原含有大量易溶盐类(如如 NaClNaCl、CaSOCaSO4 4)的沉积物，经过长时期充分溶滤，易迁移的离子淋洗比较充的沉积物，经过长时期充分溶滤，易迁移的离子淋洗比较充分，到后来地下水所能溶滤的主要是难以迁移的组分分，到后来地下水所能溶滤的主要是难以迁移的组分(如如CaCOCaCO、MgCOMgCO3 3、SiOSiO2 2等等)。故在潮湿气候区，尽管原来地层。故在潮湿气候区，尽管原来地层中所含的组分很不相同，有易溶的与难溶的，但其浅表部在中所含的组分很不相同，有易溶的与难溶的，但其浅表部在丰沛降水的充分淋滤下，最终浅层地下水很可能都是低矿化丰沛降水的充分淋滤下，最终浅层地下水很可能都是低矿化重