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地下水的化学特征：主要离子成分
• 钾离子（K+）：
–含量：低矿化度水中含量甚微，在高矿化度水中含 量较多。
–来源：1）含钾盐沉积物的溶解；2）岩浆岩与变质 岩地区，则来自含钾矿物的风化溶解。与钠离子来 源很相似。 –地壳中钾元素的含量与钠相似，且钾盐溶解度又相 当大，但是地下水中， K+含量比Na+含量少得多。 Why?
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地下水的温度
• 地壳表层有两个热源：太阳和地球内部的热流。 • 根据温度变化特征，地壳可分为变温带、常温带和增温带。 • 变温带处于地壳表层，很薄，不超过30m，受太阳辐射影响，具 有昼夜变化和季节变化。但变化幅度小于气温。 • 变温带下是一个厚度很小的常温带，地温一般比当地年平均气温 高1-2C。
CaSO4
Na2CO3 MgCO3
1.9
193.9 (18°C) 0.1
氯盐溶解度最大，硫酸盐次之，碳酸盐最小。
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地下水的化学特征：主要离子成分
• 氯离子（Cl-）：高矿化度水的主要阴离子
–含量：低矿化水中，仅数毫克至数十毫克/升；高 矿化水中，数克/升至100克/升以上。 –来源：1）沉积岩中岩盐或其他氯化物的溶解；2） 岩浆岩中含氯矿物的风化溶解；3）来自海水或海 风；4）火山喷发物的溶滤；5）人为污染，如工业、 生活污水中含有大量的Cl-。 –特点:是地下水中最稳定的离子（不被吸收、吸附、 不析出）
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库尔洛夫表达式
• 将阴阳离子分别标示在横线上下，按毫克当量百分数 自大到小的顺序排列，小于10%的离子不予显示。 • 横线前依次是气体成分、特殊成分及矿化度M，均以 g/L为单位。 • 横线后则是字母 t ，表示地下水的温度。见下例。
3 2 3 H 2 SiO0 H S CO .07 0.021 0.031M 3.2 4 Cl 84.8 SO14 .3 t 52 Na 71.6 Ca 27.8
水文地质学
第七讲
地下水的化学成分及其形成作用
OUTLINE
• 地下水化学成分概述 • 地下水的化学特征
– 主要气体成分 – 主要离子成分 – 地下水化学成分表达式
• 地下水的温度
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概 述
• 地下水不是化学纯的H2O，而是复杂的溶液。
–赋存并运移于岩石空隙中的地下水，不断地与岩土 发生化学反应，溶解岩石中的矿物质，与所接触的 岩石圈、水圈、生物圈进行化学成分的交换； –人类活动也对地下水的化学成分造成影响，特定条 件下，人类活动的影响非常显著。 –大多数情况下，地下水化学成分的改变都伴随着水 量的交换而发生。
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地下水的化学特征
• 盐类的溶解度与地下水矿化度、主要离子含量之间的关 系。表6-1(0°C)。
盐类 NaCl 溶解度 350 盐类 MgSO4 溶解度 270
KCl
MgCl CaCl Na2SO4
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290
558.1 (18°C) 731.9 (18°C) 50
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概 述
• 地下水的利用和防治都需要关注地下水的水质， 主要就是地下水的化学成分。
– 如饮用水对水质有严格的要求，需要进行水质评价 – 富含大量盐类或富集稀有元素的水本身就是液体矿床。 – 具有特殊物理性质和化学成分的地下水具有医疗意义。 – 控制污染物在地下水中的扩散，需要查明有关污染物的迁移、 分散规律，确定污染源和扩散途径。
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地下水的化学特征：主要离子成分
• 钠离子（Na+）：高矿化度水的主要阳离子
–含量：低矿化度水中含量少，但在高矿化度水中可 达到数十克/升。
–来源：1）沉积岩中岩盐和其他钠盐的溶解；2）岩 浆岩与变质岩地区，则来自含钠矿物的风化溶解。 –酸性岩浆岩中含有大量的含钠矿物，在CO2和H2O的 参与下，可以形成以Na+和HCO3-为主的地下水。
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地下水的化学特征：其他成分
• 除了上述的主要气体成分和主要离子成分外，地下水 中还含有以下次要成分：
– 次要离子，如NH4+、Fe2+、Fe3+、 NO2-、NO3-等。
– 微量元素的组分，如Br、I、F等
– 未溶解的化合物胶体 – 有机质
– 各种微生物，如氧化环境中的硫细菌、铁细菌，以及还原环 境中的脱硫酸菌等
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地下水的化学特征：主要离子成分
• 硫酸根离子（SO42-）：中等矿化度水的主要 阴离子
– 含量：低矿化水中，仅数毫克至数十毫克/升；高 矿化水中，数克/升至数十克/升。 – 来源：1）沉积岩中含石膏或其他硫酸盐的溶解；2） 硫化物的氧化。 – 特点:受硫酸钙溶解度的控制，不够稳定，最高含 量也比氯离子低得多。
• 常温带下，地壳温度受地球内部热流影响，地温随深度增加而有 规律地升高，这便是增温带。地温梯度的概念。 • 地下水的温度受所处的地温控制。
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复习思考题
• 如何认识地下水是复杂的溶液？ • 地下水含有哪些主要气体成分？
• 地下水的主要离子成分有哪些？来源是什么？
• 总矿化度； • 地下水化学成分的库尔诺夫表达式。
– 水文地球化学的研究必须与地下水运动的研究相结合；
– 必须从水与环境长期相互作用的角度，揭示地下水化学演化 的内在机制与规律。
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地下水的化学特征
• 地下水中的气体成分：有O2、N2、CO2、CH4及H2S 等。气体成分在水中含量不高，几个~几十个毫克； 但有一定的作用：可指示地下水的化学环境，侵蚀 CO2可增强地下水的溶解能力。
• 人类活动对大气的影响之一：温室效应 温室效应是指透射阳光的密闭空间由于与外界缺乏热交换而
形成的保温效应，就是太阳短波辐射可以透过大气射入地面， – 人为产生的 CO2明显增加。19世纪中叶，大气中CO2浓度为 而地面增暖后放出的长短辐射却被大气中的二氧化碳等物质 290ppm ，1980年，大气中CO2浓度升高到338ppm。1991 所吸收，从而产生大气变暖的效应。大气中的二氧化碳就像 年人类每年排放到大气中CO2为53*108t。 一层厚厚的玻璃，使地球变成了一个大暖房。据估计，如果 没有大气，地表平均温度就会下降到- 23℃，而实际地表平 均温度为15℃，这就是说温室效应使地表温度提高38℃。
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地下水的化学特征
• 地下水中的气体成分
– CO2：除了大气中CO2随降水入渗外，地下水中的CO2主要 来源于土壤，土壤中有机质的发酵作用和植物的呼吸作用使 土壤中不断产生二氧化碳，并溶入经过土壤的地下水中。 – 含碳酸类岩石在高温下的变质作用，而会产生CO2。 – 地下水中CO2的含量增多，其溶解碳酸盐岩的能力和对结晶 岩进行风化的能力都会增强。有侵蚀CO2和游离CO2之说。
酸雨：化石燃料的燃烧，给大气提
供了大量的SO2和其他氮氧化合物， 氧化并吸收水分后构成富含硫酸和 硝酸的降水，即“酸雨”。 这也成为地下水中硫酸根离子的 来源之一。
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地下水的化学特征：主要离子成分
• 重碳酸根离子（HCO3-）：低矿化度水的主要 阴离子
–含量：一般不超过几百毫克/升。 –来源：1）沉积岩和变质岩中碳酸盐的溶解；2）岩 浆岩地区，则来自铝硅酸盐的风化溶解。 –需要说明的，CaCO3和MgCO3在水中溶解度很低，当 水中有CO2时，才有一定数量碳酸盐溶于水，水中 的HCO3-的含量与CO2含量存在一个平衡关系。
– O2和N2：地下水中的氧气和氮气主要来源于大气降水的入渗。 水中溶解的氧气越多，则越有利于氧化作用的进行。氧气远 比氮气活泼，在封闭环境中，氧将会耗尽只留下氮气，因此 氮气的单独存在说明处于还原环境，地下水起源于大气。另 外，大气中的惰性气体与氮气的比例恒定，等于0.0118，如 果地下水中的比例等于此值，则说明氮气来源于大气。 – CH4及H2S：地下水中出现CH4及H2S，说明地下水处于还原 环境。这两种气体的生成，均在与大气隔绝的环境中，有机 质存在，在微生物参与的生物化学反应有关。
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概述
• 水文地球化学（Hydro-geo-chemistry），是水文地 质学的一个分支，是专门研究地下水中化学成分的迁 移、聚集与分散的规律，并加以应用的科学。 • 地下水动力学（Hydro-dynamics），是水文地质学的 另一个分支，专门研究地下水运动规律和水量的学科。 • 地下水中元素的迁移不能脱离地下水的运动，不能孤 立、静止地研究地下水的化学成分及其形成规律。正 确的观点是：
因为K+大量地参与形成不溶于水的次生矿物（水云 母、蒙脱石等），并易于被植物吸收。
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地下水的化学特征：主要离子成分
• 钙离子（Ca2+）：是低矿化度地下水的主要阳离子
– 含量：一般不超过几百毫克/升。 但在高矿化度水中，由于 主要阴离子是Cl- ，而且CaCl2的溶解度比较大，因此Ca2+的 绝对含量会增加，但远小于Na+的含量。 – 来源：1）碳酸盐沉积物和含石膏沉积物的溶解；2）岩浆岩 与变质岩地区，则来自含钙矿物的风化溶解。同样，与钠离 子来源很相似。
• 因此，地下水的化学成分是地下水与环境长期 相互作用的产物。化学成分是地下水的重要特 征之一。
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概述
• 地下水是良好的溶剂。
– 地下水溶解岩石的组成成分，搬运这些组分，并在 某些情况下将其中的某些组分析出。
– 水是地球中元素迁移、分散与聚集的载体。
– 水也是许多地质过程的参与者，如岩溶、沉积、成 矿等地质过程中都有地下水的化学作用。