水文地球化学电子教案4

水文地球化学基础水文地球化学基础 主讲：苏春利中国地质大学（武汉）环境学院第四讲第四讲 地下水化学成分的形成与特征地下水化学成分的形成与特征地下水基本成因类型l按照地下水的形成起源可分为：l溶滤-渗入水l沉积-埋藏水同期沉积水非同期沉积水含有一定比例的其他成因水l内生水l溶滤-渗入水溶滤-渗入水为大气起源，溶滤作用 对地下水化学成分的形成起重要作用。l沉积-埋藏水也称为封存水，埋藏于地质构造比较 封闭的地下环境中，其成分可在一定程度上 反映形成沉积物时盆地的特点。在沉积-埋藏水的形成过程中，一般 经历以下的演化阶段，下面以海相地层为例 说明。以上演化过程在不同的地质历史时期 可能会循环往复许多次。由此可见，沉积- 埋藏水的形成过程及其水化学成分是非常复 杂的。l挤压阶段：淤泥、粘土中的沉积水受挤压进入含水层l渗入阶段：沉积物出露地表，大气水或地表水入渗，并驱替沉积水，发生水交替作用l下一个挤压阶段：形成新的淤泥、粘土；含水层中的水由中心向盆地两侧运移地下水基本成因类型地下水基本成因类型地下水基本成因类型地下水基本成因类型l内生水1902年捷克鸩斯提出“初生水” ，即岩浆分异出来的水（岩浆水），认为该水首次流出地表，继而参与水圈总循环。1940年苏联奥弗琴尼柯夫认为岩浆中确有水存在，并可使地下水圈的水在地壳发展过程中稍有增加，但不能认为地下水的储量是岩 浆活动造成的；他将高温条件下矿物及岩石中结合态转变为游离态、 并转入现代水圈的水称为“再生水”。1975年加弗里连科，在承认初生水基础上，提出“深成水”，包括沿深大断裂向地壳层和地表运移的，积极参与区域变质作用、接触 交代作用和花岗岩化作用的大量初生水，以及以上作用终止后从岩石 中脱出的再生水。这部分水仅当存在适当通道时，才溢出地表。地下水基本成因类型地下水基本成因类型渗入成因的（溶滤-渗入水）外生的沉积成因的（沉积-埋藏水） 地下水变质成因的（变质水、再生水）内生的岩浆成因的（初生水、岩浆水）混 合渗入成因地下水渗入成因 地下水成分的形成过程l渗入成因地下水的形成经历了： 大气降水阶段大气降水阶段 植物植物- -土壤影响阶段土壤影响阶段 水水- -岩相互作用阶段岩相互作用阶段 蒸发浓缩阶段蒸发浓缩阶段一、大气降水阶段l l大气降雨的一般成分特征大气降雨的一般成分特征 气体气体l可溶性气体（O2, CO2, N2等）及惰性气体 侵蚀性侵蚀性lCO2溶于水后，形成碳酸，降低了雨水的pH值，提高了它的侵蚀性 弱酸弱酸- -中性，未饱和，矿化度低中性，未饱和，矿化度低强的溶解能力强的溶解能力 人类活动促使大气降水聚集各类金属、有机化合物及各种人类活动促使大气降水聚集各类金属、有机化合物及各种 盐类，改变了雨水的矿化度、成分、氧化盐类，改变了雨水的矿化度、成分、氧化- -还原性质、侵蚀性等还原性质、侵蚀性等 。（例如酸雨。（例如酸雨pH8）出露地表后变变化形成泉华华一般无泉华华地下水组组分变变化大地下水组组分变变化小岩溶地下水系统 矿物溶解顺序对地下水的影响l地下水流动过程中所遇到的矿物的顺序不同，将 会导致地下水化学组分的差异l3种溶解顺序l白云石方解石l方解石白云石l同步溶解l第一种溶解顺序：白云石方解石先遇白云石，饱和后，再遇方解石对于以上的溶解顺序，地下水温度将对水化学过程产生影响原因lKc=Ca2+CO32- lKd= Ca2+Mg2+CO32-2 Ca2+ CO32- 2lT = 10C时，Kd ½ = Kclt Kc ；即白云石饱和后，水流经方解石时出现沉淀lt >10C时，Kd ½ >白云石，故方解石先饱和而沉淀，白云石继续溶解；l结果：地下水中的Ca2+与Mg2+的摩尔浓度之比初始值高，后来逐渐渐低；l如果白云石含量远大于方解石（如灰质白云岩）， 白云石将先达到饱和，此时，方解石的溶解就更难了，最 终形成的地下水中的Ca2+与Mg2+的摩尔浓度之比可能小于前一种情况。若方解石、白云石均达到溶解平衡，则碳酸盐岩地区 其他因素对地下水的影响l地下水温度的影响大多数矿物的溶解度随温度增加而增大，但碳酸盐岩 区的主要矿物方解石与白云石恰好相反，而且溶解度随水温 变化较大。对碳酸盐岩区而言，在地下水流动过程中，若沿流径 水温增加，则水中钙、重碳酸、TDS等可能不遵循含量随流程增加而升高的规律；与此相反，由低温区到高温区，可能 产生方解石和白云石沉淀，地下水的TDS下降。例如，融雪季节时地表附近对方解石饱和的低温水下 渗至地下常温带时，将达到过饱和，从而产生CaCO3沉淀， 地下水中的TDS将小于地表附近的入渗水。碳酸盐岩地区 其他因素对地下水的影响l含水层中其他矿物的影响不纯的灰岩与白云岩含石膏与硬石膏；石膏与硬石膏的存在将引起同离子效应，使HCO3-含量下降。l地下水中其他组分的影响埋藏型碳酸盐岩区，入渗水经过土壤带与其他上覆地层将增加 地下水中的易溶盐类，如Cl-、SO42-、Na+；TDS较高时，离子强度的增加会降低Ca2+ 、Mg2+ 、HCO3-的活度系数，增加碳酸盐矿物的溶解度；TDS较高时，地下水组分中络合物的比例将大大增加；这也会增加碳酸盐矿物的溶解度。碳酸盐岩地区 其他因素对地下水的影响lPHREEQC的应用课堂案例4：TDS对络合物的影响复杂沉积岩系统 地下水化学成分形成和演变l复杂沉积系统岩石地层：如砂岩、灰岩、石膏层的互层松散沉积物地层：如砂砾石层与粘性土层的互层矿物种类比较齐全l影响地下水成分的重要因素水与各种岩石的相遇顺序l相遇顺序(1)假定通过灰岩、石膏、砂岩和页岩四种岩石，第1种顺序： 方解石溶解低TDS, HCO3-Ca石膏溶解，同离子效 应，方解石过饱和 高TDS, SO4·HCO3-Ca石英、长石少量溶解 ，成分变化不明显蒙脱石中的Na被Ca交 换，水中Na增加SO4-Na复杂沉积岩系统 地下水化学成分形成和演变石英、长石不全等溶解低TDS, HCO3K少量由于Ca少，不交换 成分变化不明显HCO3-Ca方解石溶解石膏溶解，同离子 效应，方解石沉淀 ，HCO3降SO4-Cal相遇顺序(2)仍然通过灰岩、石膏、砂岩和页岩四种岩石，但为第2种顺序 ：复杂沉积岩系统 地下水化学成分形成和演变结晶岩区 地下水化学成分形成和演变l结晶岩形成于地壳深部高温高压环境的岩浆岩和变质岩 ，结晶程度高，含石英、长石、云母等硅酸盐矿物；鉴于其形成环境，结晶岩在地球浅部热力学性质 不稳定，与水接触后可发生水解，形成高岭石、蒙脱石 、伊利石等粘土矿物。l结晶岩地区地下水的特点以HCO3-、Na+为主，其次为Ca2+、Mg2+，SiO2含 量较高，TDS低；沿水流途径，优势阴离子向SO4、Cl转化不明显， 水化学类型为HCO3-Na。结晶岩区 地下水化学成分形成和演变l分析方法矿物稳定场图法l对于岩浆岩地区绝大部分水点位于高岭土场区内；少量在蒙脱石区；在原生铝硅酸盐区、水铝矿区、云母区几乎没有 水点水文地球化学模拟l通过矿物稳定场图判断可能发生的矿物水解反应与 反应生成的粘土矿物；l利用实测水化学资料，结合矿物稳定场图的判断结 果，利用反向地球化学模拟来计算反应过程中原生矿物的反 应量。l例题：P113-表3-7矿物稳定场图结晶岩区 地下水化学成分形成和演变lPHREEQC的应用课堂案例5：硅酸盐平衡矿物溶解的反向模拟例题：P113-表3-7三种渗入成因的地下水NaHCO3型水（苏打水）lNa /Cl >1；(Na -Cl )/SO4 >1 Na2SO4型水 lNa /Cl > 1；(Na-Cl)/SO4 7，一般在8左右）软水或极软水矿化度多在0.6 g/L以上NaHCO3型水苏打水l形成作用与条件1、阳离子交替吸附作用条件l灌溉地段洗盐 ：潜水盐化使Na+的浓度增大，使土壤中 富含吸附状Na+ ，而用HCO3-Ca水灌溉时，可出现阳离子交替吸 附作用，形成苏打水。l在滨海平原发生海退作用后，在海退不久的地方，富含 Ca2+的陆地水与富含吸附状Na的刚形成的海相粘土质沉积物进行 上述阳离子交替吸附作用，形成苏打水。NaHCO3型水苏打水l形成作用与条件2、脱硫酸作用l在封闭还原环境中，脱硫酸菌参与脱硫酸作用，水中 SO42-减少乃至消失，出现H2S，形成苏打水。条件l发生在湖泊、海洋底部淤泥沉积物中，沼泽及盆地深部 承压含水层中，尤其是油田水中，在上述情况中，Na+常为主要阳 离子；l如果水中不仅主要含有Na+，还含有较多的Ca2+、Mg2+， 那么只有在Ca2+、Mg2+以磷酸盐矿物的形式沉淀后，才会出现苏 打水，即只有在这些水相对于磷酸盐矿物饱和以后，才有可能形 成苏打水。l形成作用与条件3、风化作用l原理含Na的铝硅酸盐矿物（如斜长石）在含 CO2的大气降水作用下发生水解，水中出现Na+和HCO3 -上述情况常见于侵入岩的风化壳中l反应方程Na0.62Ca0.38Al1.38Si2.62O8 + 1.38CO2 + 4.55H2O = 0.69Al2Si2O5 (OH)4 + 0.62Na+ + 0.38Ca2+ + 1.24H4SiO4 + 1.38HCO3- NaHCO3型水苏打水l形成过程含钠长石的侵入岩区，与含SO42-、CO2的渗入成因地下水， 发生相互作用可形成Na2SO4型水。地壳表层处于氧化条件的苏打水入渗至深部的硫化矿床及含 煤地层（常含有硫化物）中，也可形成Na2SO4型水。其形成是由于 与矿体或含煤地层接触反应，硫化物被氧化，产生SO42-，使水中 SO42-含量剧增，pH降低，形成Na2SO4型水。在含芒硝的盐矿区可见到Na2SO4型水，这种情况下水中常含 有Cl-，水的TDS可达40100g/l；在冬季，芒硝矿区出露的泉水在泉口易形成盐华（芒硝的溶解度曲线在34.1处为拐点）。Na2SO4型水l形成过程苏打水与硫酸镁型水相混合，经混合作用形成MgCO3沉淀 与Na2SO4型水。苏打水在流经含石膏地层时将沉淀形成更难溶的方解石， 以及Na2SO4型水。阳离子交替吸附：在石膏区形成的SO4-Ca型水如进一步通 过含吸附态Na+的粘性土，经阳离子交替过程后形成Na2SO4型水。Na2SO4型水CaSO4 + 2Na+ = Na2SO4 + 2Ca2+l概述自然界98%的地下水属卤水、盐水和咸水，其水 化学类型以氯化物型为主；自然界也可形成氯化 物型的淡水，如四川沙沟村 的Cl-Na型水，TDS仅 0.264g/l。NaCl型水淡水：TDS 50gL。l形成过程在侵入岩风化壳中经常含有一定量的Cl-Na水，这里钠离 子由含钠的铝硅酸盐矿物水解而进入地下水中， Cl-则是矿物 结晶格架中分散状的Cl遭受破坏进入水中；侵入岩一般贫Cl-， 故水的rCl Na+ > SO42- > Mg2+ > Ca2+ > K+ > HCO3- > Br- 有机质含量：0.22.7mg/L海相淤泥 的组成及沉积环境特征l海相沉积物的组成陆源的泥沙海水沉淀产生的化学沉积物海水沉淀产生的生物堆积l l有机质、各种微生物；有机质、各种微生物； 海相淤泥的海相淤泥的Corg含量为0.27%； l l多处于还原环境多处于还原环境富含有机质和微生物的嫌氧的还富含有机质和微生物的嫌氧的还 原环境原环境垂向上，海相淤泥距水表面数厘米以下，即 由氧化环境转为还原环境；横向上，由海盆地边缘向中央，沉积物由偏 氧化的环境转为偏还原的环境海相淤泥沉积物 中发生的各种地球化学作用l沉积水（淤泥水）的变质作用 脱硫酸作用脱硫酸作用 阳离子交替吸附作用阳离子交替吸附作用 碳酸盐矿物的沉淀碳酸盐矿物的沉淀 反硝化作用反硝化作用 有机物的分解有机物的分解