水文地质学-地下水的化学成分及其形成作用.pptVIP

9 地下水的化学成分及其形成作用 9.1 概 述 地下水不是化学纯的H20，而是一种复杂的溶液。赋存于岩石圈中的地下水，不断与岩土发生化学反应，并在与大气圈、水圈和生物圈进行水量交换的同时，交换化学成分。 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。 水是最为常见的良好溶剂。它溶解岩土的组分，搬运这些组分，并在某些情况下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。许多地质过程(岩溶、沉积、成岩、变质、成矿)都涉及地下水的化学作用。 为各种实际目的利用地下水。 （1）要进行水质评价； （2）含大量盐类(如NaCl、KCl)或富集某些稀散元素(Br、I、B、Sr 等)的地下水是宝贵的工业原料； （3）某些具有特殊物理性质与化学成分的水具有医疗意义； 9.2 地下水的化学特征 地下水中含有各种气体、离子、胶体物质、有机质以及微生物等。 ?9.2.1 地下水中主要气体成分 地下水中常见的气体成分有O2、N2、CO2、CH4及H2S等，尤以前三种为主。 氧(O2)、氮(N2)：地下水中的氧气和氮气主要来源于大气。它们随同大气降水及地表水补给地下水，因此，以入渗补给为主、与大气圈关系密切的地下水中含O2及N2较多。 (1)溶解氧含量愈多，说明地下水所处的地球化学环境愈有利于氧化作用进行。 (2) O2在较封闭的环境中将耗尽而只留下N2。N2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。 硫化氢(H2S)、甲烷(CH4)：地下水中出现(H2S)、甲烷(CH4)，其意义恰好与出现02相反，说明处于还原的地球化学环境。 二氧化碳(CO2):地下水中的CO2主要来源于土壤。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CO2，并溶入流经土壤的地下水中。 含碳酸盐类的岩石，在深却高温下，也可以变质生成C02： ? CaCO3 = CaO+CO2 (9—1) 工业与生活应用化石燃料(煤、石池、天然气)，使大气中人为产生的C02明显增加。 地下水中含CO2愈多，其溶解碳酸盐岩与对结晶岩进行风化作用的能力便愈强。 9.2.2 地下水中主要离子成分 地下水中分布最广、含量较多的离子共七种，即：氯离子(C1-)、硫酸根离子(S042-)、重碳酸根离子(HCO3-)、钠离子(Na+)、钾离子(K+)、钙离子(Ca2+)及镁离子(Mg2+)。 Si、Al、Fe等元素，虽然在地壳中含量很大，但由于其难溶于水，地下水中含量通常不大。 随着总矿化度(总溶解固体)的变化，地下水中占主要地位的离子成分也随之发生变化。 低矿化水中常以HCO3-及Ca2+、Mg2+为主； 高矿化水则以C1-及Na+为主； 中等矿化的地下水中，阴离子常以S042-为主，主要阳离子则可以是Na+，也可以是Ca2+。 表9—1 水中盐类的溶解度不同 ①氯离子(C1-)：地下水中的C1-主要有以下几种来源： (1)来自沉积岩中所含岩盐或其它氯化物的溶解； (2)来自岩浆岩中含氯矿物[氯磷灰石Ca5(P04)3Cl]、方钠石[NaAlSiO4.NaCl3]的风化溶解； (3)来自海水； (4)来自火山喷发物的溶滤； (5)人为污染：工业、生活污水及粪便中含有大量C1-。 ②硫酸根离子(S042-)： 地下水中的S042-来自含石膏(CaS04.2H20)或其它硫酸盐的沉积岩的溶解。硫化物的氧化，则使本来难溶于水的S以S042-形式大量进入水中。例如： 2FeS2+702+2H2O+2FeSO4+4H++2 S042- (9—2) (黄铁矿) 煤系地层常含有很多黄铁矿，因此流经这类地层的地下水往往以S042-为主，金属硫化物矿床附近的地下水也常含大量S042-。 ③重碳酸根离子(HCO3-)：地下水中的重碳酸有几个来源。首先来自含碳酸盐的沉积岩与变质岩(如大理岩)： CaCO3+ H2O +C02—2HCO3-+ Ca2+ MgCO3+ H2O +C02——2HCO3-+Mg2+ CaCO3和MgCO3是难溶于水的，当水中有C02存在时，方有一定数量溶解于水，水中2HCO3-含量取决于与CO2含量的平衡关系。 岩浆岩与变质岩地区，HCO3-主要来自铝硅酸盐矿物的风化溶解。 ④钠离子(Na+)： Na+来自沉积岩中岩盐及其它钠盐的溶解，还可来自海水。在岩浆岩和变质岩地区，则来自含钠矿物的风化溶解。 ⑤钾离子(K+)：钾离子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。 ⑥钙离子(Ca2+)：钙是低矿化地下水