1、第二节、地下水的化学特征第二节、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。微生物等。1 1、地下水中主要气体成分、地下水中主要气体成分地下水中常见的气体成分有地下水中常见的气体成分有O O2、N N2 2、COCO2 2、CHCH4 4、及、及H H2 2S S等，等，尤以前三种为主。尤以前三种为主。通常情况下，地下水中气体含量不高，每公升水中只有通常情况下，地下水中气体含量不高，每公升水中只有 几毫克到几十毫克。几毫克到几十毫克。地下水中的气体成分很有意义。一方面，气体成分能地下水中的气体成分很有意义。一方面，
2、气体成分能 够说明地下水所处的地球化学环境；另一方面，地下水够说明地下水所处的地球化学环境；另一方面，地下水 中的有些气体会增加水溶解盐类的能力，促进某些化学中的有些气体会增加水溶解盐类的能力，促进某些化学 反应。反应。 （1 1）氧）氧(O(O2 2) )、氮、氮(N(N2 2) )地下水中氧气和氮气主要来源于大气。它们随同大地下水中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、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与大气圈关系密切的地下水中含O O2 2及及N N2 2较多。较多。溶解氧含量愈多，说明地下水所处的地
3、球化学环境溶解氧含量愈多，说明地下水所处的地球化学环境愈有利于氧化作用进行。愈有利于氧化作用进行。O O2 2的化学性质远较的化学性质远较N N2 2为活泼，在较封闭的环境中，为活泼，在较封闭的环境中，O O2 2将耗尽而只留下将耗尽而只留下N N2 2。因此，。因此，N N2 2的单独存在，通常可说明地的单独存在，通常可说明地下水起源于大气并处于还原环境。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(Ar(Ar、KrKr、Xe)Xe)与与N N2 2的比例恒定，即：的比例恒定，即：(Ar+Kr+Xe)/N(Ar+Kr+Xe)/N2 2=0.0118=0.0118。比值等于此
4、数，说明。比值等于此数，说明N N2 2是大气起是大气起源的；小于此数，则表明水中含有生物起源或变质起源源的；小于此数，则表明水中含有生物起源或变质起源的的N N2 2。 地下水中分布最广、含量较多的离子共七种，即：地下水中分布最广、含量较多的离子共七种，即：氯离子氯离子(Cl(Cl- -) )、硫酸根离子、硫酸根离子(SO(SO4 42-2-) )、重碳酸根离子、重碳酸根离子(HCO(HCO3 3- -) )、钠离子、钠离子(Na(Na+ +) )、钾离子、钾离子(K(K+ +) )、钙离子、钙离子(Ca(Ca2+2+) )及及镁离子镁离子(Mg(Mg2+2+) )。构成这些离子的元素，或是
5、地壳中含量较高，且构成这些离子的元素，或是地壳中含量较高，且较易溶于水的较易溶于水的( (如如O O2 2、CaCa、MgMg、NaNa、K)K)，或是地壳中，或是地壳中含量虽不很大，但极易溶于水的（含量虽不很大，但极易溶于水的（ClCl、以、以SOSO4 42-2-形式出形式出现的现的S S）。）。SiSi、AlAl、FeFe等元素，虽然地壳中含量很大，等元素，虽然地壳中含量很大，但由于其难溶于水，地下水中含量通常不大。但由于其难溶于水，地下水中含量通常不大。 2 2 、地下水中主要离子成分、地下水中主要离子成分 一般情况下，随着总矿化度（总溶解固体）的一般情况下，随着总矿化度（总溶解固体）
6、的变化，地下水中占主要地位的离子成分也随之发生变化，地下水中占主要地位的离子成分也随之发生变化。低矿化水中常以变化。低矿化水中常以HCOHCO3 3- -及及CaCa2+2+、MgMg2+2+为主；高矿为主；高矿化水则以化水则以ClCl- -及及NaNa+ +为主；中等矿化的地下水中，阴为主；中等矿化的地下水中，阴离子常以离子常以SOSO4 42-2-为主，主要阳离子则可以是为主，主要阳离子则可以是NaNa+ +，也可，也可以是以是CaCa2+2+。地下水的矿化度与离子成分间之所以往往具有地下水的矿化度与离子成分间之所以往往具有这种对应关系，一个主要原因是水中盐类的溶解度这种对应关系，一个主要
7、原因是水中盐类的溶解度不同。不同。 （1 1）氯离子）氯离子 (Cl(Cl- -) ) 氯离子在地下水中广泛分布，但在低矿化氯离子在地下水中广泛分布，但在低矿化水中一般含量仅数毫克水中一般含量仅数毫克/ /升到数十毫克升到数十毫克/ /升，高升，高矿化水中可达数克矿化水中可达数克/ /升乃至升乃至100100克克/ /升以上。升以上。离子与矿化度相关系数较高，离子与矿化度相关系数较高，Na为为0.91，Cl0.84 地下水中地下水中ClCl- -的主要来源的主要来源来自沉积岩中所含岩盐或其它氯化物的溶解；来自沉积岩中所含岩盐或其它氯化物的溶解；来自岩浆岩中含氯矿物来自岩浆岩中含氯矿物 氯磷灰石
8、氯磷灰石CaCa5 5(PO(PO4 4) )3 3ClCl、 方钠石方钠石NaAlSiONaAlSiO4 4NaClNaCl的风化溶解；的风化溶解；来自海水：海水补给地下水，或者来自海面的风来自海水：海水补给地下水，或者来自海面的风 将细沫状的海水带到陆地，使地下水中将细沫状的海水带到陆地，使地下水中ClCl- -增多；增多；来自火山喷发物的溶滤；来自火山喷发物的溶滤；人为污染：工业、生活污水及粪便中含有大量人为污染：工业、生活污水及粪便中含有大量 ClCl- -，因此，居民点附近矿化度不离的地下水中，因此，居民点附近矿化度不离的地下水中， 如发现如发现ClCl- -的含量超过寻常，则说明很
9、可能已受的含量超过寻常，则说明很可能已受 到污染。到污染。 氯离子不为植物及细菌所摄取，不被土氯离子不为植物及细菌所摄取，不被土粒表面吸附，氯盐溶解度大，不易沉淀析粒表面吸附，氯盐溶解度大，不易沉淀析出，是出，是地下水中最稳定的离子地下水中最稳定的离子。它的含量。它的含量随着矿化度增长而不断增加，随着矿化度增长而不断增加，ClCl- -的含量常的含量常可用来说明地下水的矿化程度。可用来说明地下水的矿化程度。 (2)(2)硫酸根离子硫酸根离子(SO(SO4 42-2-) ) 在高矿化水中，硫酸根离子的含量仅次于在高矿化水中，硫酸根离子的含量仅次于ClCl- -，可达数克可达数克/ /升个别达数十
10、克升个别达数十克/ /升；在低矿化水中，一升；在低矿化水中，一般含量仅数毫克般含量仅数毫克/ /升到数百毫克升到数百毫克/ /升；中等矿化的水升；中等矿化的水中，中，SOSO4 42-2-常成为含量最多的阴离子。常成为含量最多的阴离子。 地下水中地下水中SOSO4 42-2-的主要来源的主要来源地下水中的地下水中的SOSO4 42-2-来自含石膏来自含石膏(CaSO(CaSO4 42H2H2 2O)O)或其它硫酸盐的或其它硫酸盐的沉积岩的溶解。沉积岩的溶解。硫化物的氧化，则使本来难溶于水的硫化物的氧化，则使本来难溶于水的S S以以SOSO4 42-2-形式大量进形式大量进入水中。例如：入水中。
11、例如：2FeS2FeS2 2+7O+7O2 2+2H+2H2 2O2FeSOO2FeSO4 4+4H+4H+ +2SO+2SO4 42-2- (6-2) (6-2) 煤系地层常含有很多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，因此流经这类地层的地下水往往以水往往以SOSO4 42-2-为主，金属硫化物矿床附近的地下水也常含有为主，金属硫化物矿床附近的地下水也常含有大量大量SOSO4 42-2-。化石燃料的燃烧给大气提供了人为作用产生的化石燃料的燃烧给大气提供了人为作用产生的SOSO2 2与氮氧与氮氧化合物（每年化合物（每年2 22.52.510108 8t t），氧化并吸收水分后
12、构成富含），氧化并吸收水分后构成富含硫酸及硝酸的降水硫酸及硝酸的降水“酸雨酸雨”，从而使地下水中，从而使地下水中SOSO4 42-2-增加。增加。 由于由于CaSOCaSO4 4的溶解度较小，限制了的溶解度较小，限制了SOSO4 42-2-在水在水中的含量，所以，地下水中的中的含量，所以，地下水中的SOSO4 42-2-远不如远不如ClCl- -来来得稳定，最高含量也远低于得稳定，最高含量也远低于ClCl- -。 （3 3）重碳酸根离子）重碳酸根离子(HCO(HCO3 3- -) ) 地下水中地下水中HCOHCO3 3- -的含量一般不超过数的含量一般不超过数百毫克百毫克/ /升，升，HCOH
13、CO3 3- -几乎总是低矿化水的几乎总是低矿化水的主要阴离子成分。主要阴离子成分。 地下水中的重碳酸的来源：地下水中的重碳酸的来源：来自含碳酸盐的沉积岩与变质岩（如大理岩）：来自含碳酸盐的沉积岩与变质岩（如大理岩）：CaCO3+H2O+CO22HCO3-+Ca2+ (6-3)MgCO3+ H2O+CO22HCO3-+Mg2+ (6-4)CaCO3 和和MgCO3是难溶于水的，当水中有是难溶于水的，当水中有CO2存在时，方存在时，方有一定数量溶解于水，水中有一定数量溶解于水，水中HCO3-的含量取决于与的含量取决于与CO2含量含量的平衡关系。的平衡关系。岩浆岩与变质岩地区，岩浆岩与变质岩地区，
14、HCOHCO3 3- -主要来自铝硅酸盐矿物主要来自铝硅酸盐矿物( (钠钠长石和钙长石长石和钙长石) )的风化溶解，如：的风化溶解，如：Na2Al2Si6O16+2CO2+3H2O2HCO3- + 2Na+ + H4Al2Si2O9 +4SiO2CaO2Al2O34SiO2+2CO2+5H2O2HCO3-+ Ca2+ 2H4Al2Si2O9（4 4）钠离子）钠离子(Na(Na+ +) )钠离子在低矿化水中的含量一般很低，仅数毫钠离子在低矿化水中的含量一般很低，仅数毫克克/ /升到数十毫克升到数十毫克/ /升，但在高矿化水中则是主要的升，但在高矿化水中则是主要的阳离子，其含量最高可达数十克阳离子
15、，其含量最高可达数十克/ /升。升。 NaNa+ +来自沉积岩中岩盐及其它钠盐的溶解，还来自沉积岩中岩盐及其它钠盐的溶解，还可来自海水可来自海水。在岩浆岩和变质岩地区，则来自含钠。在岩浆岩和变质岩地区，则来自含钠矿物的风化溶解。酸性岩浆岩中有大量含钠矿物，矿物的风化溶解。酸性岩浆岩中有大量含钠矿物，如钠长石；因此，在如钠长石；因此，在COCO2 2和和H H2 2O O的参与下，将形成低矿的参与下，将形成低矿化的以化的以NaNa+ +及及HCOHCO3 3- -为主的地下水。由于为主的地下水。由于NaNa2 2COCO3 3的溶解的溶解度比较大，故当阳离子以度比较大，故当阳离子以Na+Na+为
16、主时，水中为主时，水中HCOHCO3 3- -的含的含量可超过与量可超过与CaCa2+2+伴生时的上限。伴生时的上限。 （5 5）钾离子）钾离子(K(K+ +) )钾离子的来源以及在地下水中的分布特点，与钠钾离子的来源以及在地下水中的分布特点，与钠相近。它来自含钾盐类沉积岩的溶解，以及岩浆岩、相近。它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。变质岩中含钾矿物的风化溶解。在低矿化水中含量甚微，而在高矿化水中较多。在低矿化水中含量甚微，而在高矿化水中较多。虽然在地壳中钾的含量与钠相近，钾盐的溶解度也相虽然在地壳中钾的含量与钠相近，钾盐的溶解度也相当大。但是，在地下水中当大。
17、但是，在地下水中K K+ +的含量要比的含量要比NaNa+ +少得多；少得多；这是因为这是因为K K+ +大量地参与形成不溶于水的次生矿物（水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。云母、蒙脱石、绢云母），并易为植物所摄取。由于由于K K+ +的性质与的性质与NaNa+ +相近，含量少，分析比较费相近，含量少，分析比较费事，所以，一般情况下，将事，所以，一般情况下，将K K+ +归并到归并到NaNa+ +中，不另区中，不另区分。分。 （6 6）钙离子）钙离子(Ca(Ca2+2+) )钙是低矿化地下水中的主要阳离子，其含量一般钙是低矿化地下水中的主要阳离子，
18、其含量一般不超过数百毫克不超过数百毫克/ /升。在高矿化水中，由于阴离子主升。在高矿化水中，由于阴离子主要是要是ClCl- -，而，而CaClCaCl2 2的溶解度相当大，故的溶解度相当大，故CaCa2+2+的绝对含量的绝对含量显著增大，但通常仍远低于显著增大，但通常仍远低于NaNa+ +。矿化度格外高的水，。矿化度格外高的水，钙也可成为主要离子。钙也可成为主要离子。 地下水中的地下水中的CaCa2+2+来源于碳酸盐类沉积物及含石来源于碳酸盐类沉积物及含石膏沉积物的溶解，以及岩浆岩、变质岩中含钙矿物的膏沉积物的溶解，以及岩浆岩、变质岩中含钙矿物的风化溶解。风化溶解。 （7 7）镁离子）镁离子(
19、Mg(Mg2+2+) )镁的来源及其在地下水中的分布与钙相近。来镁的来源及其在地下水中的分布与钙相近。来源于含镁的碳酸盐类沉积（白云岩、泥灰岩），此源于含镁的碳酸盐类沉积（白云岩、泥灰岩），此外，还来自岩浆岩、变质岩中含镁矿物的风化溶解，外，还来自岩浆岩、变质岩中含镁矿物的风化溶解，如：如：(Mg(MgFe)Fe)2 2SiOSiO4 4+2H+2H2 2O+2COO+2CO2 2MgCOMgCO3 3+FeCO+FeCO3 3+Si(OH)+Si(OH)4 4 MgCO MgCO3 3+H+H2 2O+COO+CO2 2MgMg2+2+2HCO+2HCO3 3- - MgMg2+2+在低矿化
20、水中含量通常较在低矿化水中含量通常较CaCa2 2+ +少，通常不少，通常不成为地下水中的主要离子，部分原因是由于地壳组成为地下水中的主要离子，部分原因是由于地壳组中中MgMg比比CaCa少。少。 3 3、地下水中的其它成分、地下水中的其它成分地下水还有一些次要离子，如地下水还有一些次要离子，如H H+ +、FeFe2+2+、FeFe3+3+、MnMn2+2+、NHNH4+4+、OHOH- -、NONO2-2-、NONO3-3-、COCO3 32-2-、SiOSiO3 32-2-及及POPO4 43-3-等。等。地下水中的微量组分，有地下水中的微量组分，有BrBr、I I、F F、B B、Sr
21、Sr等。等。地下水中以未离解的化合物构成的胶体，主要有地下水中以未离解的化合物构成的胶体，主要有Fe(OH)Fe(OH)3 3、Al(OH)Al(OH)3 3及及H H2 2SiOSiO3 3等，有时可占到相当比例。等，有时可占到相当比例。有机质也经常以胶体方式存在于地下水中。有机质有机质也经常以胶体方式存在于地下水中。有机质的存在，常使地下水酸度增加，并有利于还原作用。的存在，常使地下水酸度增加，并有利于还原作用。地下水中还存在各种微生物。例如，在氧化环境中地下水中还存在各种微生物。例如，在氧化环境中存在硫细菌、铁细菌等；在还原环境中存在脱硫酸细菌存在硫细菌、铁细菌等；在还原环境中存在脱硫酸
22、细菌等；此外，在污染水中，还有各种致病细菌。等；此外，在污染水中，还有各种致病细菌。 4 4、地下水的总矿化度及化学成分表示式、地下水的总矿化度及化学成分表示式地下水中所含各种离子、分子与化合物的总量地下水中所含各种离子、分子与化合物的总量称为称为总矿化度（总溶解固体）总矿化度（总溶解固体），以每公升中所含克，以每公升中所含克数（数（g/Lg/L）表示。）表示。习惯上以习惯上以105105110110时将水蒸干所得的干涸时将水蒸干所得的干涸残余物总量来表征总矿化度。也可以将分析所得阴残余物总量来表征总矿化度。也可以将分析所得阴阳离子含量相加，求得理论干涸残余物值。因为在阳离子含量相加，求得理论
23、干涸残余物值。因为在蒸干时有将近一半的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。而逸失。所以，阴阳离子相加时，所以，阴阳离子相加时，HCOHCO3 3- -只取重量的半数。只取重量的半数。为了简明地反映水的化学特点，可采用为了简明地反映水的化学特点，可采用库尔洛夫式库尔洛夫式表表示。将阴阳离子分别标示在横线上下，按毫克当量百示。将阴阳离子分别标示在横线上下，按毫克当量百分数自大而小顺序排列，小于分数自大而小顺序排列，小于10%10%的离子不予表示。的离子不予表示。横线前依次表示横线前依次表示气体成分气体成分、特殊成分特殊成分及及矿化度
24、矿化度（以字（以字母母M M为代号），三者单位均为为代号），三者单位均为g/Lg/L，横线后以字母，横线后以字母t t为为代号表示以摄氏计的水温。如：代号表示以摄氏计的水温。如：H2SiO0.073H2S0.021CO20.031M3.2 t t0 052528 .276 .7143 .148 .84CaNaSOCl第三节、地下水的温度第三节、地下水的温度 地壳表面有两个热能来源：一个是太阳的辐射，地壳表面有两个热能来源：一个是太阳的辐射，另一是来自地球内部的热流。另一是来自地球内部的热流。根据受根据受热源影响热源影响的情况，地壳表层可分为变湿的情况，地壳表层可分为变湿带、常温带及增温带。带、常温带及增温带。地下水的温度受其赋存与循环处所的地温控制。地下水的温度受其赋存与循环处所的地温控制。地温梯度的平均值约为地温梯度的平均值约为3/100m3/100m。通常变化于。通常变化于1.5-1.5-4/100m4/100m之间，但个别新火山活动区可以很高。如之间，但个别新火山活动区可以很高。如西藏羊八井的地温梯度为西藏羊八井的地温梯度为300/100m300/100m。
