第六章 地下水的化学成分及其形成作用
第一节 概述
地下水是天然溶液。地下水在参与自然界水循环过程中，与大气圈、水圈与生物圈同时发生着水量交换、化学成分的交换（—水质状况）。
水是良好的溶剂，地下水在空隙中运移时，可以溶解岩石中的组分，使地下水的化学成分丰富多彩。
地下水的物理性质：温度、颜色、嗅、味、密度、导电性与放射性 地下水的化学性质：气体成分、离子成分、胶体物质、有机质等 地下水的放射性、微生物成分等。
第二节 地下水的化学特征
一、地下水中常见的气体成分 主要有氧（（
）、氮（
）、二氧化碳（
）、硫化氢（
）、甲烷
），常见的气体成分与地下水所处环境，地下水的来源有关。
）、氮（
、与）
含量很高，随降水一起入渗进入地下含水层中。——也说明地下水是大气起源。由于
活跃，也可
（1）氧（
来源：在大气成分中反过来，如果地下水中富含
在地下水运动中易发生氧化作用而消耗，因此，大气起源的地下水中，能独立存在。此外，氮还有生物起源与变质起源。 指示意义：
含量高指示氧化环境；封闭环境下，氧被耗尽只剩下
，则
为大气起源封闭环境。 （2）硫化氢（
）、甲烷（
）
是在有机物与微→
，在成煤
）
来源：这两种气体，都是在封闭环境下生成的。如生物参与的生物化学过程中形成，还原环境下地下水中的过程中，
在还原作用下产生
，使煤田水富含
。同理，甲烷（）。
是成油和油气藏形成过程的结果，油田水富含甲烷（ 指示意义：富含 （3）二氧化碳（ 大气降水中的
和）
含量较低，地下水中
的地下水，指示封闭的还原环境。
主要来源：
①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
②碳酸盐岩地层的脱碳酸作用 ③深部高温下，变质作用生成
增加
④人类活动，在使用化石燃料（煤、石油、天然气）时，大气中的 作用：地下水中强！
（4）地下水中气体成分特征小结：
①气体成分——指示地下水所处的地球化学环境 氧化环境 还原环境
增加，水对碳酸盐岩的溶解、结晶岩风化溶解的能力愈
②气体成分增加水对盐类的溶解能力→促进水—岩的化学反应（即相互作用）
二、地下水中的主要离子成分
（1）概述：地下水中组分很多，而分布广、含量多的主要有七种离子 阴离子： 阳离子：
，，
，，
，
离子成分含量与什么有关？
① 各种元素的丰度（克拉克值）—即某元素在地壳化学成分中的重量百分比
② 该元素组成的化合物在水中的溶解度
在自然界，丰度较高的元素，如Si、Al、Fe，在水中含量很低；而某些丰度较低的，如Cl、S、C，在水中含量却很高。这说明元素组成的化合物的溶解度起主要作用。
（2）主要离子的相对含量与地下水中的总含盐量（TDS）关系
常见地下水的化学成分特征，与地下水的矿化度（或TDS）具有以下关系 矿化度： 低 → 中 → 高 阴离子： 阳离子：
我们可以得出主要离子构成的盐类溶解度的大小为： 碳酸盐类 < 硫酸盐类 < 氯化物（氯盐） （3）主要离子成分的来源 低矿化度水中的常见离子：
，，常共同出现在低矿化度水中。来源沉积盐岩的溶解、
岩浆岩、变质岩等的风化溶解，如风化溶解反应式：
沉积盐岩的溶解反应式：
高矿化度水中的常见离子：
，
，
常出现在高矿化度水中。来源沉积盐岩（钠盐、钾盐）的
溶解，以及岩浆岩、变质岩的风化溶解，有时也有海水海风影响。变质岩的风化溶解反应式：
中等矿化度水中的常见离子：
，
常出现在中等矿化度水中。其中，
来源于沉积盐类溶解、
金属硫化物的氧化、火山喷发，
，大气中
气体氧化、以及人类活动燃烧煤产生大量
过高时，会出现降“酸雨”现象（如一些工业城市上空）。
（4）主要离子成分在地下含水系统（岩层）中的分布 插图6-1，表示了水中主要阴离子沿流程的变化特点。 请思考？相应的阳离子和矿化度（TDS），沿流程如何变化？
插图6-1 主要阴离子沿流程变化特点（图中+号表示含量多少） 三、地下水中的其他成分 次要离子：阳离子，如 阴离子，如
微量组分：有Br、I、F、B、Sr等 化合物构成的胶体：主要有相当比例。
，及
等，有时可占到
及
等
有机质：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。
地下水中还存在各种微生物：如，硫细菌、铁细菌、脱硫酸细菌等； 在污染水中，还有各种致病细菌。
第三节 地下水的温度
地下水的温度受其赋存与循环处所的地温控制。 变温带：浅埋地下水显示微小的水温季节变化。
常温带：地下水水温与当地年平均气温很接近，这两带的地下水，常给人以“冬暖夏凉”的感觉。
增温带：地下水随其赋存与循环深度的加大而提高，成为热水甚至蒸汽。如西藏羊八井的钻孔，获得温度为160℃的热水与蒸汽，
地下水水温的计算：已知年平均气温（t）、年常温带深度（h）、地温梯度（r）时，可概略计算某一深度（H）的地下水水温（T），即：
地下水循环深度计算：利用地下水水温（T），可以推算其大致循环深度（H），即：
地温梯度的平均值约为3℃／100m。通常变化于1.5—4℃／l00m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300℃／100m。
第四节 地下水化学成分的形成作用
本节讨论的地下水化学成分的形成作用包括：
溶滤作用——水与岩的相互作用，经常发生 浓缩作用——蒸发排泄条件下发生
脱碳酸作用——在温度与压力发生变化时发生 脱硫酸作用——在还原环境下发生，
→
↑
阴离子交替吸附作用——岩土表面吸附阳离子与水中阳离子的作用 混合作用——2种或以上不同类型地下水交汇混合时发生 人为活动的作用
一、溶滤作用
1、定义：在地下水与岩土相互作用下，岩土中某些组分向地下水中转移的过程，其结果是，岩土失去部分可溶物质，地下水中获得相应的化学组分，通常水的矿化度会增高。如：
（岩——水作用） 离子
2、影响因素（水和岩两个方面考虑）
岩土的化学组分：通常流经什么样岩土，就会有什么样的水化学特征 如：石灰岩地区常见
水、花岗岩地区常见
水
组分的可溶性：与组分的溶解度和溶解速度有关；盐分溶解度的差异，使易溶组分很快进入水中，而难溶组分缓慢进入水中。 水的溶解能力：与水的矿化度（TDS）、气体组分（
，
）含量有关
a.水中已溶组分的多少——即水的矿化度大小，随着盐份在水中的含量增高，水的溶解能力逐渐降低 b.水中某些气体组分含量越高，如的溶解度
—增加硫化物的氧化，而被溶解 —增加碳酸盐类的溶解度
，
气体含量高，可以增相应盐类
通常，入渗到地下的水（如降水、河水等），矿化度很低，随着水在地下含水岩层的运移，与岩土发生溶滤作用后，不断有新的盐份被溶解到水中，地下水的矿化度（TDS）增高，水的溶解能力就会下降。
地下水的流动（交替）性：地下水的流动性是维系水的溶解能力的条件。 而地下水的流动性取决于水的径流和交替强度（即V与Q）：
停滞与流动很缓慢的地下水，溶解能力最终会降低为零，溶滤作用很弱 地下水流动速度快，水交替（更新）迅速，
，
不断被补充，低TDS
水不断更新已经降低溶解能力的水，保持水的溶解能力。
请思考：如果某一地区，地下水流动很快，水交替（循环）迅速，水化学特征如何？也就是说，某一地区溶滤作用进行的很强烈，长期作用结果地下水中的矿化度高（TDS）如何？水中阴离子和水中阳离子以什么为主？
3、溶滤作用的结果：长期强烈溶滤作用的结果，地下水以低矿化度的难溶离子为主，如
或
水。这是由溶滤作用的阶段性决定的！
设想岩层中原来含有包括氯化物、硫酸盐、碳酸盐及硅酸盐等各种矿物盐类。
地下水的化学成分及其形成作用（精）
