水文地质学基础第7章-地下水的化学成分及其形成作用课件.ppt

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1、 水文地质学基础水文地质学基础 第七章地下水的化学组分及其演变 2012 年11月23日 提 纲u 概述u 地下水的化学特征u 地下水的温度u 地下水化学成分形成作用u 地下水的基本成因类型u 地下水化学成分分析及其图示u 案例水文地球化学：研究地下水中化学元素的迁移、集聚 与分散规律研究意义：u 地下水起源和形成u 矿产资源的形成和勘察u 水质评价u 医疗矿水研究原则：考虑地下水水质演变所具时间上的继承性，从水与环境长期相互作用的角度出发，揭示地下水化学演变的内在依据与规律 概 述 地下水的化学特征气体组分主要气体组分：l O2、N2、CO2、CH4、H2S等l 一般含量为n-n10mg/l

2、L研究意义:l 说明地下水所处的水文地球化学环境：氧化环境、还原环境l 有些气体增加水溶解盐类的能力，促进水岩反应二氧化碳（CO2）来源：l 大气：大气降水、地表水入渗补给l 土壤：植物根系呼吸作用和有机质分解l 深部高温下，碳酸盐岩地层的变质作用CaCO3=CaO+CO2，SiO2+CaCO3=CaSiO3+CO2意义：溶解的CO2越多，地下水溶解某些矿物的能力越强甲烷（CH4）、H2S 来源：l 在封闭还原环境，有机质与微生物参与的生物化学过程形成l 火山喷发l H2S还可来自硫化矿物分解指示意义：l 封闭还原环境l 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

3、标志SO42-H2S离子组分l 地下水的化学性质指标l 溶解性总固体(TDS)：溶解在水中的无机盐和有机物的总称。不包括悬浮物和溶解气体等成分。单位：mg/L、g/Ll 矿化度：是指地下水中各种离子、分子与化合物的总量。单位mg/L、g/Ll TDS求算方法：l 105110时将水蒸发所得的干涸残余物总量l 阴阳离子总和（水质全分析）减去HCO3-含量之半表征Company Logo+Cl-+SO42-+HCO3-水中阴离子在地下水水流过程的（分布）变化氯离子Cl-l来源l沉积岩中岩盐、氯化物的溶解（钠盐、钾盐）l岩浆岩含氯矿物氯磷灰石、方钠石的风化溶解；l火山喷发物的溶滤l海水l人为污染：工

4、业、生活污水和粪便l特点l溶解度大，随矿化度增大，含量增大l在水中最为稳定：不为植物和细菌摄取，不被土壤颗粒表面吸附，水中迁移能力强HCO3-、Ca2+、Mg2+碳酸盐类、石膏沉积物等的溶解岩浆岩和变质岩地区铝硅酸盐矿物的溶解（钠/钙长石、橄榄石等）泥灰岩白云岩钙长石 大理岩l 来源l HCO3-通常是低TDS水的主要阴离子l 低TDS地下水中Mg2+含量通常低于Ca2+沉积岩中岩盐的溶解（钠盐）岩浆岩和变质岩的风化溶解海水Na+l 酸性岩浆岩区常形成Na-HCO3型水l 水中阳离子以Na+为主时，HCO3-浓度可超过与Ca2+伴生时的上限l 来源同位素组分l 何为同位素l 稳定同位素和放射性

5、同位素l 常用稳定同位素：18O、2H（D）、13C、34S、15N、87Sr、37Cl等l 常用放射性同位素：3H（T）、14C、222Rn、36Cl、129I等l 同位素的功用：计时（时钟）和示踪（示踪剂）放射性同位素：时钟在确定地下水年龄上，常采用放射性同位素方法，据放射性同位素衰变原理，利用同位素衰变方程确定地下水年龄：式中：lC0 为补给时放射性同位素浓度（也称输入函数)lC为计算时放射性同位素浓度不同定年方法适用的时间尺度放射性同位素也可用于示踪其它组分l 次要离子：包括H+、Fe2+、Fe3+、Mn2+、NH4+、OH-、NO2-、NO-、CO32-、SiO32-、PO43-等l

6、 微量组分：Br、I、F、B、Sr等l 胶体：Fe(OH)3、Al(OH)3、H2SiO3l 有机质：可增加地下水的酸度，有利于还原l 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：致病细菌地下水的温度地壳表层的热源：太阳辐射+地球内部的热流。地壳表层按热量平衡关系分带：l 变温带：地温主要受太阳辐射影响的地表极薄的地带。下限15-30 ml 常温带：地温基本等于当地平均年气温的地带。通常高出大气年均温度1-2 oCl 增温带：地温主要受地球内热影响的地带。地温梯度为n oC/100m，一般为3 oC/100m，介于1.5-4.0 oC/100m之间。西藏羊八井地温梯度为

7、300 oC/100m（地热异常）T=t+(H h)r地下水化学成分形成作用溶滤作用l 定义：水与岩土相互作用，使岩土中一部分物质转入地下水中，即溶滤作用。其结果是：岩土失去部分可溶物质，而地下水中相应补充了新的组分。如：CaCO3+H2O+CO2 2HCO3-+Ca2+l 岩土组分溶解的决定因素l 矿物的溶解度l 岩土的空隙特征l 水的溶解能力盐类溶解与温度的关系盐类溶解与温度的关系浓缩作用定义：蒸发浓缩作用是地下水通过蒸发排泄而引起水中成分的浓缩，使水中盐分浓度增大、矿化度增高的现象必备条件：l 干旱半干旱的气候l 低平地势控制下的水位埋深小的地下水排泄区l 松散岩土颗粒细小，毛细作用强l

8、 具有时间和空间的尺度脱硫酸作用l 定义：脱硫酸作用是在封闭缺氧的还原环境中，有机物和脱硫酸细菌作用下，硫酸盐分解为H2S和HCO3-的生物化学过程：SO22-+2C+2H2O H2S+2HCO3-l 封闭的地质构造为其有利环境，油水中有H2S，为找油标志反硝化作用：水中氮氧化物在去氮菌作用下分解亚硝酸盐和硝酸盐、最后排出自由氮的过程，是水中富含N2和CO2硝化作用：有机质分解产生的酸在硝化菌作用下使铵氧化生成亚硝酸盐和硝酸盐的过程硝化、反硝化作用阳离子交替吸附作用l 定义：阳离子交替吸附作用是地下水与岩石相互作用，岩石颗粒表面吸附的阳离子被水中阳离子置换，并使水化学成分发生改变的过程l 吸附

9、能力：H+Fe3+Al3+Ca2+Mg2+K+Na+l 阳离子交替吸附作用取决于岩土的吸附能力、岩土的比表面积、离子的相对浓度混合作用定义：混合作用是指两种或两种以上不同成分水之间的混合，使原水的化学成分发生改变的作用。物理混合：不发生化学反应化学混合：发生化学反应，如：Ca(HCO3)2+Na2SO4 Ca SO4+2NaHCO3 地下基本成因类型及其化学特征溶滤水l 定义：由富含CO2和O2的水渗入补给并溶滤其所流经岩土而获得主要化学成分的地下水l其成分受岩性、气候、地形等因素的影响。在大范围上，受气候控制而有分带性l 岩性l石灰岩、白云岩区，水中HCO3-、Ca2+、Mg2+为主l含石膏

10、的沉积岩区，水中SO42-、Ca2+较多l酸性岩浆岩区，多为HCO3Na型水l基性岩浆岩区，水中常富含Mg2+l煤系地层、金属硫化物矿床分布区，多为硫酸盐水l 气候：控制地下水循环速率、蒸发强度l 地形：控制地下水循环速率干旱区山间盆地地下水化学分带最为典型内生水l 定义：源自地球深部层圈的地下水，亦即来自地球内部在岩浆冷却等地质作用下形成的地下水l 典型化学特征不明l 俄罗斯花岗岩包体中水：TDS100-200 g/Ll 冰岛玄武岩区热蒸汽冷凝水：TDS 1-2 g/L，为HSHCO3-Na型 地下水化学成分分析及其图示 地下水化学分析内容l 简分析：测试项目少、要求精度低。用于了解区域地下

11、水化学成分概貌物理性质（温度、颜色、透明度、嗅味、味道等）、HCO3-,SO42-,Cl-,Ca2+,总硬度、pH值、TDS；NO3-,NO2-,NH4+,Fe2+,Fe3+,H2S、耗氧量。单位为mg/L,mmol/L等l 全分析：测试项目多、要求精度高。用于全面了解地下水化学成分化学成分HCO32-,CO32-,SO42-,Cl-,NO3-,NO2-；Ca2+,Mg2+,Na+,K+,NH4+,Fe2+,Fe3+,Mn2+；H2S、CO2、耗氧量；总硬度、pH值、TDS；微量元素、痕量元素；研究水的侵蚀性时需分水的侵蚀性CO2。单位为mg/L mmol/Ll 专项分析：视不同应用目的而定细

12、菌类、放射性、重金属、有机组分等地下水化学特征分类及图示步骤：l 将阴、阳离子分别列于横线上、下，按离子含量的毫克当量百分数（meq%）自大到小依次排列l 毫克当量百分数小于10%的离子不予表示l 横线前依次表示特殊组分、气体、TDS（M），三者单位均为g/Ll 横线后为水温t（）库尔洛夫式l 以类似数学分式形式表示单个水样化学成分的含量和组成l 简明反应水化学成分特点据地下水中6种主要离子（Na+、Ca2+、Mg2+、HCO3-、SO42-、Cl-，K+合并于Na+）及TDS划分l 将6种主要离子中毫克当量25%的阴、阳离子组合为49型水，以阿拉伯数字为代号l 按TDS（M）的大小划分为4组

13、l A组 M 1.5 g/Ll B组1.5 M 10 g/Ll C组10 M 40 g/Ll D组M 40 g/Ll 将水化学类型用数字（149）与字母（A、B、C或D）组合表达，如1-A含量超过25%毫克当量的离子组合 HCO3HCO3+SO4HCO3+SO4+ClHCO3+Cl SO4SO4+Cl ClCa181522293643Ca+Mg291623303744Mg3101724313845Na+Ca4111825323946Na+Ca+Mg5121926334047Na+Mg6132027344148Na7142128354249舒卡列夫分类优点p 简明易懂，在我国广泛应用p 从图表的

14、左上角向右下角大体与地下水总的矿化作用过程一致缺点p 以 25毫克当量为划分水型的依据带有主观性；p 在分类中，对大于 25毫克当量的离子未反映其大小的次序，刻画水质变化不够细致派珀三线图(Piper trilinear diagram)任一水样的阴阳离子的相对含量在两个三角形中以带标号的圆圈表示，引线在菱形中的交点处以圆圈表示，其大小与TDS成正比 Piper三线图分区优点p 不受人为影响p 从菱形中可看出水样的一般化学特征，在三角形中可以看出各种离子的相对含量p 将一个地区的水样标在图上，可以分析地下水化学成分的演变规律老子山地热田及邻区地质图u位于洪泽湖南岸、老子山东北淮河口u热田区海拔

15、1213m；西部紧邻老子山-佛窝低山残丘区，海拔50140m老子山地热田地层综合柱状图案例：中低温对流型地热系统成因老子山地热田T1-T2井地热地质剖面图（顾萍等,2001）老子山地热田浅部地温等值线图（顾萍等,2001）u老子山热田位于NW向张性断裂与NNE向左行压性、压扭性平移断层交汇处u地下水活动对地温场产生显著扰动 热水通道 补给来源老子山地热田及邻区水样Langelier-Ludwig图老子山地热田及邻区水样稳定同位素组成u水化学类型为Na-Ca-SO4-Cl型，TDS2000mg/L；第四系地下水存在热水混入u老子山T1和T3井地热水同位素组成最为亏损 老子山地热水与地下水、洪泽湖

16、水的混合关系图补给高程H=(18Ogw-18Or)/grad 18O+Hrugrad 18O=-0.2 u18Or=-7.9 和-7.7uHr=27m和15mu补给高程=177m和265mu补给区位于盱眙南部丘陵区热水年龄uT1井水样氚浓度为13.8TU，而T3井为1.1TUu选择T3井14C数据算得地下水年龄约29007800 a B.P.T3T1T3T1T3T1T3T1 热储温度与循环深度井号井口温度Na-K温标Na-K-Ca温标K-Mg温标玉髓温标-方英石温标-方英石温标无定形二氧化硅温标石英温标石英温标T3601859438735222819310390据化学温标估算的热储温度老子山地

17、热田T3井水样log(Q/K)-温度图u热储温度约为73120u地 热 水 循 环 深 度 约 为23504200m Z=Z0+(TR-T0)/gradT Z0=20m T0=14.7 gradT=2.5/100mu老子山地热系统属中低温对流型uNNE向断裂控热，NW断裂控水u补给区位于热田南部约60km处盱眙县南部至张八岭一带丘陵区u热水循环深度23504200m，周期29007800年，温度73120老子山地热田成因模式概念图 概念模式 本章小结u 地下水的化学成分和同位素成分u 地下水化学成分的形成作用u 地下水成因分类u 地下水化学分析与图示表达F-Cl-NO3-SO42-HCO3-K+Ca2+Na+Mg2+3.8754.30.91900.3230.478.0478.0704.0107.0作业天津某地热水水化学分析结果如下（浓度单位：天津某地热水水化学分析结果如下（浓度单位：mg/L；水温；水温63 ）l 试写出其库尔洛夫式试写出其库尔洛夫式l 按舒卡列夫分类确定其水质类型按舒卡列夫分类确定其水质类型l 做做Piper三线图三线图Thanks for your attention