第4章 地下水的化学成分及其形成作用

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第四章

地下水的物理性 质和化学成分

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本章内容

第一节 第二节 第三节 第四节 第五节 第六节 第七节

地下水的物理性质 地下水的化学成分 地下水主要化学性质 地下水化学成分的形成 地下水化学成分的基本成因类型 地下水化学成分研究方法 煤矿区地下水化学特征

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第一节 地下水的物理性质

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一、地下水的温度1、地温——影响地温的热源：太阳辐射和地热

地温可分三个带：变温带

常温带增温带 地热增温率——oC/100m

地热增温级——m/oC

年常温带深度

z

ln a0 ln a x

KT

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一、地下水的温度 地热增温率：oC/100m 地热增温级：m/℃不同地区由干岩石的导热性、地壳运动和水文地质条件的不同， 地热增温级有所变化。

我国部分地区地热增温级

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一、地下水的温度2、地下水的温度 计算地下深处的水温(温泉水的循环深度)

H h TH TB G

Th——H深度处地下水的温度，oC Tb——年常温带温度，oC

H——地下水循环深度，m 地下水按温度分类 h——年常温带深度，m

G——地热增温级，m/oC

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二、地下水的颜色 地下水一般无色 地下水的颜色的测定——比色管

三、地下水的透明度 透明度分级： 测定方法：量筒(高100cm,直径3cm)+黑十字线(粗3mm)

透明的——无悬浮物，>60cm水深见图像

半透明的——少量悬浮物，30~60cm水深见图像微透明的——有较多悬浮物，<30cm水深见图像

不透明的——大量悬浮物，似乳状，水深很小也看不清图像

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四、地下水的气味 取决于水中所含的气体成分和有机质的含量 气味强度等级：0 I II III IV 无 极微弱 弱 显著 强 没有任何气味 有经验分析者能察觉 注意辨别时，一般人能察觉 易察觉，不处理不能饮用 气味引人注意，不能饮用

V

极强

气味强烈扑鼻，不能饮用

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第二节 地下水的化学成分

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地下水化学成分的特点：地下水不是纯的H2O,而是成分复杂天然溶液。 水是良好的溶剂，在空隙中运移时，可溶解岩石中的成分。

在自然界水循环过程中，地下水与大气圈、水圈与生物圈同时发生着水量和化学成分的交换。 化学成分：气体成分、离子成分、胶体物质、有机质等。

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地下水化学成分研究的意义理论上：揭示地下水的形成和起源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。一个地区地下水的化学面貌， 反映了该地区地下水的历史演变。 研究地下水的化学成分，可以回溯一个地区的水文地质历史， 阐明地下水的起源与形成。

实际应用：水质评价不同的用水目的在利用地下水时，对水

的质量有一定要求(如： 饮用水、锅炉用水、地下水对混凝土的侵蚀性等)

研究方法：研究地下水的化学成分与作用必须与地下水的流动条件结合

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一、地下水主要的气体成分氧(O2)、氮(N2)、二氧化碳(CO2) 硫化氢(H2S)、甲烷(CH4), 常见气体成分与地下水所处环境和地下水来源有关 二、地下水中主要离子成分

地下水中含量多的有七种离子阴离子： HCO3- , SO42- , Cl阳离子： Ca2+, Mg2+, K+, Na+

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一、地下水主要的气体成分地下水中常见的气体成分1、氧(oxygen, O2)、氮(nitrogen, N2) 起源：大气圈，随降水入渗进入含水层中，如富含O2与N2 ——说明地下水是大气起源的，氮还有生物起源与变质起源 环境：在封闭环境下，氧被耗尽只剩下N2,指示水是大气起源且 处于封闭环境 2、硫化氢(H2S)、甲烷(CH4) 这两种气体都是在较封闭环境中，在有机质与微生物参与的生物 化学过程中形成。还原环境下： SO42- → H2S,成煤过程，煤田水

成油过程，油气藏，油田水

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一、地下水主要的气体成分3、二氧化碳(CO2)大气降水中的CO2含量较低，地下水中CO2主要源于土壤层(入渗过程溶于水中):有机质残骸发酵产生、 植物呼吸作用产生 碳酸盐岩地层：在深部高温下，也可变质生成CO2

人类活动：在化石燃料(煤、石油、天然气),导致大气中的CO2增加，(增长20%)

地下水中CO2增加，水对碳酸盐岩的溶解、结晶岩风 化溶解能力愈强！

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一、地下水主要的气体成分4、硫化氢(H2S)

地下水中出现H2S和CH4,意义恰好和出现O2相反，说明处于还原的地球化学环境。

来源(1)生物化学作用SO42-+2C+2H2O→2HCO3-+H2S

(2)地壳深部的变质作用及火山作用

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二、地下水中主要离子成分水中离子成分主要取决于：①元素的丰度(克拉克值):某元素在地壳化学成分中的 重量百分比； ②元素组成的化合物在水中的溶解度

地壳中主要元素有哪些？地壳中丰度较高的元素：Si、Al、Fe (地下水中低) 地壳中丰度较低的元素：Cl、S、C (地下水中高)

地下水中主要离子有：阴离子：HCO3-、SO42-、Cl-

阳离子：Ca2+、Mg2+、K+、Na+

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二、地下水中主要离子成分主要离子构成的盐类溶解度有关：碳酸盐类 < 硫酸盐类 < 氯化物 常见离子在水中的相对含量与地下水中的总固体溶解物 (TDS)——或矿化度有关： 矿化度(g/L) :低(<1) 阴 离 子: 阳 离 子: HCO3Ca2+ 中(1-10) SO42Ca2+,Mg2+ 高(10-30) ClNa+,K+

水中阴离子在地下水水流过程的(分布)变化

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二、地下水中主要离子成分地下水水流过程的阴离子变化 Cl++ +++++ + ++

SO42+++ ++

+++

HCO3++ ++ +++

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二、地下水中主要离子成

分地下水中主要离子成分来源 低矿化度水中的常见离子： HCO3-,Ca2+,Mg2+,常来源 于沉积盐岩、岩浆岩、变质岩的风化溶解高矿化度水中的常见离子：Cl-,Na+,K+,沉积盐岩(钠

盐、钾盐)的溶解、变质岩风化溶解，海水影响，人为污染 中等矿化度的常见离子： SO42-:沉积盐类溶解、金属硫化物的氧化、火山喷发 H2S气体氧化、人类活动—燃烧煤产生大量SO2,SO2 氧化 后形成之，大气中SO42-过高时，降“酸雨”

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第三节 地下水主要化学性质

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一、酸碱性pH值：溶液中H+浓度负对数来表示溶液的酸碱性。 pH值决定水中HCO3-、CO32-、CO2的含量

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