地下水的化學成分有哪些作用

1. 地下水在人類生活、生產中的作用

地下水與人類生存和發展有密切聯系，這些聯系主要表現在以下各方面。

1.地下水是一種重要的供水水源

水是生命的源泉，人類的生存、生活和生產都離不開水。據統計，目前我國每生產1kg小麥約需耗水1000～1500kg;每生產1kg皮棉需耗水5000kg。煉鋼1t約需耗水6.7t;生產1t化肥需耗水2.5t;生產1t紙需耗水數百噸。

在全球的淡水資源組成中，地下水佔有重要地位。一般由於地下水水質良好，分布廣泛，便於就地開采利用，水量較穩定，故在全世界的總供水量中，地下水佔有較大比例。而在乾旱、半乾旱地區，地下水是主要的，甚至是唯一的可用水源。據不完全統計，在我國181個大中城市中，有61個城市主要以地下水作為供水水源，40個城市以地表水、地下水共同作為供水水源。全國有近1/3左右人口飲用地下水。在農田灌溉用水中，地下水也是重要的水利資源。根據水利部門的統計資料:1999年我國地下水開采量已達1031×108m3，即佔全國總供水量的18.36%。但在我國乾旱的北方地區，地下水則要佔到總供水量的30%。

2.地下水是重要的礦產資源

有的地下水中富集了某些元素，如溴、碘、鍶、鋇等，可以從中提取工業原料，形成具有工業價值的礦水。有些地下水含有某種特殊的成分或具有較高的溫度，對某些疾病有醫療作用，這種水稱為醫療礦水。有些地下水含有較高含量的硝態氮，這種水稱為「肥水」。

3.地下水是尋找某些礦床的有效標志

地下水流經某些礦床分布地帶，在水中就會含有該礦床的某些化學組分，形成「水分散暈」出露地表，成為找礦標志，利用這種標志找礦，稱為水文地球化學找礦。它對於尋找石油、金屬硫化礦床、放射性礦床、鹽礦床等是十分有效的。

4.地下熱水是寶貴的熱能資源

地球是個龐大的熱庫，蘊藏著豐富的地熱能。目前世界上開發利用地熱能，主要是利用地下熱水(汽)的熱能。地下熱水(汽)可以用於發電、取暖、農業生產和某些國民經濟部門，它對於節約燃料、減輕環境污染有著重要意義。

5.地下水是采礦和地下工程施工的嚴重威脅

地下水是一種寶貴的自然資源。但是，在某些情況下，地下水又是有害因素。

采礦時，地下水常湧入坑道，輕則影響採掘工作進行，增加成本;重則發生礦山坑道的淹沒和破壞，甚至發生毀滅性突水事故，造成生命財產的損失。露天開采時，地下水可引起邊坡塌滑等。因此，只有查明礦床及地下工程的水文地質條件，才能預測礦井或地下工程的涌水量，為排水疏干工程設計提供水文地質依據，以及解決礦床開采與地下工程開挖引起的各種環境地質問題，這是水文地質學要解決的重要課題。

6.地下水可造成土壤鹽漬化、沼澤化，破壞土壤肥力

在乾旱、半乾旱地區，當地下水埋藏較淺時，往往造成土壤鹽漬化。濕潤地區的平原和盆地，地下水位過淺，會產生土壤沼澤化。土壤鹽漬化和沼澤化，破壞了土壤肥力，危害作物的生長。

7.地下水活動使某些工程效益受到損失

在修建工業民用建築時，如不考慮建築物基礎下地下水的情況，會使地基產生不均勻沉降，破壞建築物的穩定。當地下水位太高時，為降低水位，要建立高費用的排水設施;開挖基坑，有時可能造成基坑大量涌水，增加施工難度。由於地下水的活動，可引起建築物附近的邊坡塌滑，危及建築物的安全。

在修建水庫、運河、渠道等水利工程時，由於對地下水的規律沒有查明，結果使水工建築物受到破壞或大量的水漏失，使蓄洪、發電、引水灌溉等效益受到很大影響。地下水的活動，還會引起水庫沿岸回水、鐵路公路邊坡的滑動和凍脹。

8.地下水過量取用和污染引起的環境問題

地下水不僅是一種資源，同時也是地球環境的重要組成部分。環境的變化(如氣候、地表徑流、植被等的變化)無疑將對地下水產生影響。同樣，地下水狀態的變化，反過來也會對環境造成影響。

由於長期過量開采地下水，使區域地下水位持續下降;區域地下水位的大幅度下降，又可能導致地面沉降、岩溶塌陷、地裂縫、海水入侵等環境地質災害的發生，還可能導致地表水體萎縮、地表徑流衰減、岩溶大泉乾枯、地表生態條件惡化等嚴重的環境生態問題。為治理地下水開采引發的環境負效應，往往要付出巨大代價。

盡管相對於地下水難以污染，但是一旦遭受污染，卻很難消除。生活污水的排放，不適當地使用化肥農葯，以及工業廢水廢料的大量排放，已經並正在使許多地下水源因污染而不能利用。

除了人為影響產生的地下水水質問題外，某些天然的地下水由於過量富集了某些元素，或缺乏某種人體必需的元素，常會引起人、畜致病。如水中含氟過多會引起牙齒斑釉病，缺氟患牙蛀病，水中缺碘引起甲狀腺腫病等。

綜上所述，地下水既可以為人類造福，也可對人類產生危害。因此，充分利用地下水利，防治地下水害，變害為利是水文地質學的重要任務。

2. 地下水的物理性質包括哪些內容地下水的化學成分有哪些

地下水化學不是純的H2O，而是天然溶液，含有各種組分。v水是良好的溶劑，在空隙中運移時，可溶解岩石中的成分。在自然界水循環過程中，地下水與大氣圈、水圈與生物圈同時發生著水量和化學成分的交換。v物理性質：溫度、顏色、嗅、味、密度、導電性、放射性。v化學性質：氣體成分、離子成分、膠體物質、有機質等。v水是岩石中元素遷移、分散與富集的載體

3. 地下水的化學成分及其形成作用

地下水化學組分受地質、水文地質條件、地貌和氣候的控制，依地下水的補給、徑流、排泄條件，呈規律性的分布。

山區、崗地和山前傾斜平原中上部為溶濾帶，地下水交替條件好，一般為重碳酸型低礦化淡水，水質良好；沉積岩地區鈣含量高，一般不缺碘；岩漿岩地區鈉鎂含量高，在豫西、大別山岩漿岩分布區則碘含量低，氟含量高。

平原區由於地下水溶解易溶鹽，愈接近前緣，水位變淺，徑流滯緩，垂直交替作用強烈，使鹽分濃縮，導致淺層地下水由山前向平原水化學見明顯的分帶性，即由重碳酸型過渡到重碳酸、硫酸、氯化物型，礦化度由低逐步增高，水質由淡水變成微咸、半鹹水。黃河沖積扇，上部地下徑流相對流暢、水化學屬重碳酸型，為淡水；到中下游的新鄉、開封東部等地，硫酸鹽增高，相間分布有微鹹水；前緣地帶特別是商丘、安陽東部，地勢低平，地下水徑流滯緩，蒸發強烈，出現重碳酸、氯化物型水，礦化度2～3g/l，且西北東南向呈條帶狀分布有大於3～5g/l的半鹹水，淺層鹹水、半鹹水的分布面積為4920km²。

平原區中深層地下水，封丘、蘭考以東的大部分有面狀分布的微鹹水，礦化度2～4.3g/l，面積約24800km²，其他地區屬重碳酸型淡水。

4. 研究地下水中氣體成分有什麼意義

地下水中常見的氣體成分
主要有氧O2 、氮N2 、二氧化碳CO2 、硫化氫H2S、甲烷CH4
常見的氣體成分與地下水所處環境,地下水的來源有關。
研究地下水中氣體成分的意義:
氣體成分-能夠說明地下水所處的地球化學環境;水中有些氣體-會增加水溶解鹽類的能力,促進某些化學反應。

5. 地下水化學成分的基本成因類型

地球上的水圈是原始地殼生成後，氫和氧隨同其他易揮發組分從地球內層圈逸出而形成的。因此，地下水與其他形式的水一樣都是起源於地球深部層圈。從形成地下水化學成分的基本作用出發，可將地下水分為三個主要成因類型：溶濾水、沉積水和內生水。

1.溶濾水

含有O₂與CO₂的大氣降水或地表水滲入地下後，溶濾它所流經的岩土，而獲得其他的化學成分，這種水稱之為溶濾水。溶濾水的成分受氣候、地形、地貌及流經岩性等因素的影響。

地下水流經的岩土對溶濾水的水化學成分有一定的影響。在含有石膏沉積的第三系地層分布區，水中含有較多的Ca²⁺和。石灰岩、白雲岩等碳酸鹽沉積區的地下水，以、Ca²⁺和Mg²⁺為其主要成分。酸性岩漿岩地區的地下水大多為HCO₃ -Na型水。煤系地層分布區及有色金屬礦床附近常形成硫酸鹽型水。

氣候對溶濾水的化學組分的影響十分顯著。在氣候炎熱潮濕地區，不同性質的岩土經過長期充分的洗蝕，易遷移的離子大部分均已淋失，剩下的是碳酸鹽、二氧化硅和氧化鋁等難以遷移的礦物。盡管原來地層的岩性不同，最終在淺部會形成低礦化的重碳酸鹽型水，並且，硅酸佔有一定的比例。在乾旱氣候條件下，蒸發強烈，不論地層岩性如何，淺部地下水都會由重碳酸鹽型水轉變為硫酸鹽型水，最終形成礦化度很高的氯化鈉型水。總的來說，氣候是決定地殼淺部元素遷移的重要因素，區域性的溶濾水化學成分反映了氣候的影響。

地形對溶濾作用的影響，是通過地下水徑流條件起作用的。在切割強烈的山區，地下水徑流條件好，徑流強烈，水交替迅速，地下水滯留時間短，岩層中的易溶成分不斷被溶濾並被帶走，故地下水的礦化度低，以重碳酸鹽型水為主。地勢平坦的地區，地下徑流緩慢，水交替微弱，水與岩土作用時間長，地下水中易溶離子含量和礦化度較高。

在氣候、地形、地貌及岩性等因素的綜合作用下，潛水化學類型具有分帶性。區域分帶性主要受氣候的控制，在沿地下徑流方向也顯示出分帶性。我國西北地區氣候乾旱的大型斷陷盆地中，潛水的分帶性表現得十分典型和完整。如青海的柴達木盆地，從盆地邊緣的洪積扇頂部，到盆地中心的察爾汗鹽湖，基本可分為三個水化學帶：第一帶，是重碳酸鹽型水帶，位於洪積扇中、上部的戈壁礫石帶，以、Ca²⁺為主，礦化度小於1 g/L；第二帶，是硫酸鹽型水帶，位於洪積扇下緣的細土帶，陰離子以為主，陽離子逐漸由Ca²⁺變為Na⁺，礦化度為1～3 g/L；第三帶，為氯化物型水帶，位於湖積細土平原-鹽湖，以Cl^-、Na⁺為主，礦化度一般大於30 g/L，到察爾汗鹽湖附近，礦化度高達100～300 g/L。

這些地區不僅在平面上具有水化學分帶特徵，而且在一些部位也呈現出垂直分帶的特點：在洪積扇下緣—湖區，為地下水泄出帶，地下徑流以由下而上的越流排泄為主，下部為重碳酸鹽型水；地下水在向上徑流時，逐漸變為硫酸鹽型水；到了近地表處，由於蒸發強烈，濃縮作用加強，成為以Cl^-、Na⁺為主的氯化物型水。

與大氣圈聯系較為密切的基岩中開啟構造中的承壓水，以及平原地區的淺層承壓水，也都屬於溶濾水。如黃河中下游平原，由黃河古河道形成的淺層承壓含水層，由於開啟性好，滲透性強，水交替強烈，溶濾作用發育，往往形成低礦化的重碳酸鹽型水；而在其兩側，多為古河間窪地，徑流條件差，水交替微弱，則形成較高礦化度的硫酸鹽型水，乃至高礦化的氯化物型水；古河道上游地區主要為重碳酸鹽型水，向下徑流過程中，水交替變弱，礦化度逐漸增高，地下水類型逐漸過渡為硫酸鹽-氯化物型水。

半乾旱的華北平原的潛水和淺層承壓水，水化學類型也顯示出分帶性，但要復雜得多，不但受控於近代的氣候和地形、地貌，而且還受控於古氣候、古地理和古沉積環境。

2.沉積水

沉積水是指與沉積物同時生成的地下水。在連續沉降的盆地中，沉積物連同生成時的水一起逐漸地被深埋。盡管不同水體（海相、河相、湖相）的沉積物，具有不同的原始化學成分，但在漫長的地質時期中，賦存在含水層中的沉積水由於流動性好，經受了一系列的復雜變化後，已面目全非。賦存在海相淤泥中的沉積水，由於淤泥滲透性差，其中的沉積水受到外界的影響小，其化學成分在一定程度上反映了古沉積盆地的水化學特徵，一直受到研究者的重視。

海相淤泥沉積物具有的特點是：孔隙度、含水量和比表面積大，滲透性很差，其中的孔隙水滲出極為緩慢，通常含有機質和各種微生物。由於處在還原環境中，有利於各種生物化學作用的進行。

海水的平均化學成分是礦化度為35g／L的氯化鈉型水（r（Na）/r（Cl）=0.85，Cl/Br=293）。在漫長的地質時期中，海相淤泥中的沉積水歷經各種變化，其成分與現代海水相比，有以下特徵：①礦化度很高，最高可達300g／L；②硫酸根離子減少，甚至消失；③鈣的相對含量明顯增大，鈉減少，r（Na）/r（Cl）<0.85；④溴、碘富集，尤其是碘含量增加，Cl/Br變小；⑤出現硫化氫、甲烷、銨、氮；⑥ pH值增加。

對於海相沉積水礦化度的增大，有不同的解釋，一般認為是海水在潟湖中濃縮所致，也有人認為是沉積物被深埋後，在深部高溫蒸發所致。

脫硫酸作用對海相沉積水成分改變影響最大，它使水中的減少乃至消失，出現H₂ S，含量增加。含量增加與pH值的升高，會使部分碳酸鈣和碳酸鎂沉澱析出，令水中的Ca²⁺、Mg²⁺減少。

海相沉積水中鈣的增多，雖然認為是陽離子吸附交換的結果，但有人認為，在淺海盆地的水下三角洲，當河流將吸附的大量Ca²⁺粘土帶入海洋時，產生吸附交替反應，使鈣析出，增加了水中Ca²⁺的含量。在克拉瑪依油田，烏爾禾組水下三角洲儲油構造（埋藏深度為3000m左右）中的油田水就屬於該成因的高礦化氯化鈣型水。

海相淤泥中生物遺骸的分解使溴、碘富集，並產生甲烷等有機氣體。

海相淤泥在成岩過程中受到上覆地層壓力壓實時，一部分被擠壓進入相鄰顆粒較粗的地層中，形成後生沉積水，這種水廣泛存在於儲油構造中；另一部分則仍保留在淤泥層中，這便是同生沉積水。

埋藏在地層中的海相淤泥沉積水，由於地殼運動而被剝蝕出露地表，或由於斷裂構造與外界連通，沉積水有可能被溶濾水所取代，但也可能出現溶濾水與沉積水相混合的情況，形成新的水化學成分。

3.內生水

內生水是源自地球深部層圈的水。目前對內生水的研究還不成熟，人們僅能從岩體中的包裹體溶液和現代火山噴出的蒸汽冷凝水中得到一些粗淺的認識。

在太平洋、大西洋等大洋的洋中脊-海底擴張帶上，當海底擴張時，內生水伴隨來自地球深部的玄武岩噴發，進入水圈。另外，內生水也可通過某些深大斷裂加入到高溫熱泉中，如海洋底部的含有金、銀等金屬的高溫熱泉。雖然人們可以從這兩方面感受到內生水的存在，但對內生水的典型化學特徵至今仍不清楚。內生水的研究仍屬地質學和水文地質學中有重要理論研究意義的一個難題。

6. 地下水與化學成分是什麼

地下水中所含的無機的和有機的化學成分。地下水是一種濃度較稀的溶液，它含有常見離子。

最常見的陽離子是鈣、鎂、鈉，最常見的陰離子是重碳酸根、硫酸根、氯根、微量組分，如氟、溴、碘、硼等和氣體組成，如氮、二氧化碳、甲烷等。一定化學成分的地下水是一定的地質環境下的產物。

地下水的來源

地下水作為地球上重要的水體，與人類社會有著密切的關系。地下水的貯存有如在地下形成一個巨大的水庫，以其穩定的供水條件、良好的水質，而成為農業灌溉、工礦企業以及城市生活用水的重要水源。

成為人類社會必不可少的重要水資源，尤其是在地表缺水的乾旱、半乾旱地區，地下水常常成為當地的主要供水水源。

廣泛埋藏於地表以下的各種狀態的水，統稱為地下水。大氣降水是地下水的主要來源。根據地下埋藏條件的不同，地下水可分為上層滯水、潛水和自流水三大類，按照埋藏條件可分為包氣帶水、潛水和承壓水，按照埋藏介質可分為孔隙水、裂隙水和岩溶水。

地下水是水資源的重要組成部分，由於水量穩定，水質好，是農業灌溉、工礦和城市的重要水源之一。但在一定條件下，地下水的變化也會引起沼澤化、鹽漬化、滑坡、地面沉降等不利自然現象。

7. 地下水的主要化學性質

地下水中含有復雜的化學成分，因此使其具有相應的化學性質。主要化學性質有:酸鹼性、硬度、總礦化度、氧化還原性及侵蝕性等。

1.酸鹼性

地下水的酸鹼性與氫離子的濃度有關。水中氫離子濃度通常用pH值表示。pH值為氫離子濃度的負對數，即pH=－lg［H⁺］。當水溫在25℃時，［H⁺］·［OH^－］=10^－14。在純水中，氫離子的濃度與氫氧根離子的濃度相等，即［H⁺］=10^－7，［OH^－］=10^－7，pH=7，說明水呈中性。當［H⁺］大於10^－7時，pH小於7，說明水呈酸性。當［H⁺］小於10^－7時，pH大於7，說明水呈鹼性。大部分天然水的pH值介於6～8.5之間(表5－10)。地下水按pH值可分為七類(表5－11)。pH值是確定很多化學成分(硫化氫、二氧化硅、重金屬等)能否存在於水溶液中的指標。

表5－10 天然水的pH值

表5－11 地下水按pH值分類

2.硬度

水的硬度決定於鈣、鎂離子的含量，其他金屬離子如鐵、錳、鋁、鍶、鋅等也能生成硬度，但是在地下水中這些離子含量極少，可忽略不計。

硬度可分為總硬度、暫時硬度、永久硬度及碳酸鹽硬度。

(1)總硬度

水中所含鈣、鎂離子的總量稱為總硬度。

(2)暫時硬度

將水加熱至沸騰，由於脫碳酸作用，水中的重碳酸根離子與鈣、鎂離子結合形成碳酸鹽沉澱。呈碳酸鹽沉澱的這部分鈣、鎂離子的數量稱為暫時硬度。

普通水文地質學

(3)永久硬度

指水沸騰以後仍保留在水中的鈣、鎂離子的含量(即總硬度與暫時硬度的差值)稱為永久硬度。

(4)碳酸鹽硬度

碳酸鹽硬度是指水中與重碳酸根離子含量相當的鈣、鎂離子含量。有時用碳酸鹽硬度代替暫時硬度。實際上，碳酸鹽硬度往往大於暫時硬度。因為水沸騰時，水中的重碳酸根離子不可能完全形成沉澱，其中有一部分重碳酸根離子因受熱而分解成CO₂氣體逸出了。

水中氫氧根離子、碳酸根離子和重碳酸根離子的總量稱為水的總鹼度。如果一般水中不含氫氧根離子和碳酸根離子，則重碳酸根離子含量往往就是總鹼度，總鹼度減去總硬度就是負硬度。

目前我國常採用德國度和每升水中鈣、鎂離子的毫克當量數表示。根據硬度將水分為五類(表5－12)。

表5－12 地下水按硬度分類

①1meq/L(毫克當量/升)=2.8德國度;1毫克當量/升=1毫摩爾×離子價/升。

水的硬度與工業及生活用水關系很大，硬水使鍋爐產生鍋垢，紡織品變脆，洗衣消耗大量的肥皂，飲用會影響腸胃消化功能。飲用水的硬度標准為10～25德國度。

3.總礦化度(M)

水的總礦化度是指單位體積水中所含各種離子、分子及化合物(不包括游離狀態的氣體成分)的總量，以g/L表示。通常用水在105℃～110℃下蒸干後所得的乾涸殘渣質量來表示水的礦化度。也可以將分析所得離子、化合物含量相加，計算求得理論乾涸殘余物質。但在計算時，HCO^－₃只能採用含量的1/2。因為在蒸干時有將近1/2的HCO^－₃分解生成CO₂和H₂O逸出。其反應式如下:

普通水文地質學

根據礦化度，將地下水分為五類(表5－13)。

表5－13 水按礦化度的分類

水的礦化度與化學成分有密切關系，低礦化度的水常以HCO^－₃為主，中等礦化度的水以SO^2－₄為主，高礦化度的水以Cl^－為主。在地殼正常的水動力帶中，地下水的礦化度隨深度而增加。

4.氧化還原性

在地下水中，含有各種離子、分子及膠體等物質。它們經常會發生化學反應。化學反應中某些物質失去電子，稱為氧化反應，則此物質為還原劑;某些物質獲得電子，稱為還原反應，此物質為氧化劑。在反應中氧化反應和還原反應同時發生，氧化劑和還原劑同時存在，稱為氧化還原反應。因此地下水具有氧化還原性。

以氧化還原電位(E_h)衡量氧化還原性的強弱。在25℃時，氧化還原電位和物質濃度之間的關系可用能斯特公式計算。即

普通水文地質學

式中:E_h為氧化還原電位，V;E⁰_h為標准電位，V;n為氧化還原反應中得到或失去的電子數;［氧化態］、［還原態］分別表示氧化還原反應中氧化態和還原態物質的摩爾濃度。

E_h值愈大，其氧化性相對愈強;反之，其還原性相對愈強。

氧化環境的主要特點是地下水中含有游離O₂，E_h值較大，而pH值較小，一般位於地表附近及地下水強徑流帶，對大多數金屬元素具有較大的遷移能力。還原環境中的地下水不含游離O₂，E_h值較小，而pH值較大，含CH₄及有機化合物，有的還含有H₂S。

5.侵蝕性

地下水的侵蝕性主要表現在含侵蝕性CO₂水對混凝土的侵蝕，硫酸鹽對混凝土的侵蝕及酸性水對機械設備的侵蝕。

(1)侵蝕性CO₂的侵蝕

含有CO₂的地下水和混凝土接觸，混凝土中的CaCO₃將加快溶解而遭受破壞。

普通水文地質學

(2)硫酸鹽侵蝕

硫酸鹽侵蝕也稱結晶性侵蝕。當地下水中Cl^－含量小於1000mg/L，而SO^2－₄含量大於250mg/L時，就會發生硫酸鹽侵蝕。其機理是SO^2－₄滲入混凝土內，與其某些成分相互作用，生成含水的硫鋁酸鹽，反應式如下:

普通水文地質學

這種新生成的硫鋁酸鹽的體積比原來的混凝土的體積要增大2.5倍，使混凝土的結構疏鬆，遭受破壞。

(3)酸性侵蝕

酸性侵蝕主要是鐵置換了水中H⁺所造成的。

普通水文地質學

酸性侵蝕與水的pH值有關，pH值越小，酸性越強，水對金屬的腐蝕作用也越強。當pH=6.5時，水對鐵質材料有腐蝕作用，使水管使用年限縮短5%，pH﹤4，水泵只需幾天或十幾天就不能使用。

8. 地下水中的主要化學成分

地下水是由各種無機物和有機物質組成的天然溶液，從化學成分來看，它是溶解的氣體、離子以及來源於礦物和生物膠體物質的復雜綜合體。

(一)地下水中的主要氣體成分

地下水中溶有不等量的氣體，一般其含量為10^－4%～10^－1%，常見的氣體有氧(O₂)、氮(N₂)、硫化氫(H₂S)、二氧化碳(CO₂)等。

1.氧(O₂)、氮(N₂)

氧是地殼中分布最廣的元素，地下水中氧主要來源於大氣，在高度25km大氣圈中氧的含量佔20.95%。植物的光合作用也能析出氧。近地表的地下水中氧的含量多，越往深處，含量越少，其變化范圍通常在每升十幾毫克以內。氧在水中有較大的溶解度，其溶解量與水的礦化度、埋藏深度、大氣壓力等有關。含溶解氧多的水，說明處於氧化環境。

氮在空氣中佔78.09%，地下水中的氮氣主要來源於大氣，結晶岩地區一些構造破碎帶的低礦化含氮溫泉，以及火山熱液氣體成分中，經常含有氮氣(表5－6)。氮的溶解度與溫度有關，但它的變化幅度較小。

表5－6 火山熱液氣體成分的含量(單位:%)

2.硫化氫(H₂S)

天然水中硫化氫的含量很少，能夠呈溶解氣體和硫氫酸鹽的離解形式存在，但各種形式的存在狀況與pH值有關系(表5－7)。

地下水中硫化氫來源於硫酸鹽的還原、硫化物的分解以及火山噴發物質。

普通水文地質學

某些地下熱水、工業廢水及生活污水中也含有H₂S。硫化氫含量大於2mg/L的地下水，稱為硫化氫礦水。在某些油田水中，每升水中硫化氫含量可高達幾克，因此，常以此作為尋找油氣田的間接標志。

表5－7 硫化氫和硫氫酸的存在形式與pH值的關系

3.二氧化碳(CO₂)

二氧化碳的來源很復雜，它可能來自大氣(空氣中二氧化碳佔0.03%);土壤中生物化學作用(土壤中每年形成13.5×10¹⁰t二氧化碳);火山岩漿活動地帶碳酸鹽遇熱分解:

普通水文地質學

沉積岩中含碳酸鹽岩石與酸性礦水作用也能形成二氧化碳:

普通水文地質學

地下水中的pH值決定了各種形式碳酸的含量(表5－8)。地下水中二氧化碳含量通常為每升幾十毫克，一般不超過150mg/L，由於二氧化碳的存在，使水的類型、侵蝕性、礦化度等發生了變化。

表5－8 pH值與碳酸形態之間的關系表

(二)地下水中的主要離子成分

地下水中離子成分是水溶解礦物鹽分的產物。地下水中分布最廣的有Cl^－，SO^2－₄，HCO^－₃，Na⁺，K⁺，Ca²⁺，Mg²⁺七種離子。這七種離子在很大程度上決定了地下水化學的基本特性。

1.氯離子(Cl^－)

氯離子是地下水中分布最廣的陰離子，溶解度比較高，幾乎存在於所有的地下水中，其含量由每升數毫克至百餘克，在弱礦化的地下水中，氯離子含量極少，隨著礦化度的增加，氯離子含量有所增加。在乾旱地區的潛水中，氯離子含量與礦化度成正比。

地下水中氯離子來源於鹽岩礦床、岩漿岩的風化礦物(如氯磷灰石Ca₅［PO₄］₃Cl、方鈉石Na₈［AlSiO₄］₆Cl₂)，火山噴發物質等。此外，還來源於生活污水及工業、農業排放的廢水。在沿海地區由於海水入侵使氯離子含量增高。

2.硫酸根離子(SO^2－₄)

地下水中硫酸根離子的含量每升水中由十分之幾毫克至數十克不等，由於鈣離子的存在使硫酸根離子的含量受到限制，因為它們能形成CaSO₄沉澱。在中等礦化的水中，硫酸根離子可成為含量最高的陰離子。

地下水中硫酸根離子來源於石膏及其他硫酸鹽沉積物的溶解，硫化物和自然硫的氧化。如:

普通水文地質學

火山噴發時，有相當數量的硫化物和硫化氫氣體噴出並被氧化成硫酸根離子。

硫酸根離子也來自有機質的分解及某些工業廢水，因此，居民點附近地下水中SO^2－₄的存在常常和污染有關。

3.重碳酸根離子(HCO^－₃)

重碳酸根離子是地下水中重要的組成部分。它是低礦化水的主要陰離子成分，常和Ca²⁺，Mg²⁺共存，其含量一般小於1g/L。當地下水中有大量二氧化碳時，重碳酸根離子的濃度大大增加。在碳酸水中可達1.24g/L或更多，而在河、湖水中不超過250mg/L。

地下水中重碳酸根離子主要來源於碳酸鹽岩類(如石灰岩、白雲岩、泥灰岩)的溶解。

普通水文地質學

在岩漿岩與變質岩地區來自鋁硅酸鹽礦物(如鈉長石鈣長石)的風化。

4.鈉離子(Na⁺)

天然水中，鈉離子的分布在陽離子中占首位，海水中鈉離子含量佔全部陽離子的84%。鈉鹽具有較高的溶解度，在低礦化水中鈉離子含量由每升幾毫克至幾十毫克，隨著礦化度的增加鈉離子含量也增加，在鹵水中最高含量可達每升數十至百克。

地下水中鈉離子來源於鹽岩礦床及火成岩和變質岩中含鈉的礦物(如鈉長石、斜長石、霞石)的風化。如:

普通水文地質學

鈉還可以由含有吸附鈉的岩石與含有鈣離子的水發生陽離子交替吸附作用，使原來岩石上吸附的鈉離子轉入地下水中。

5.鉀離子(K⁺)

鉀在地殼中的含量與鈉相似(鉀佔2.59%，鈉佔2.83%)，鉀離子來源於含鉀鹽沉積物的溶解及岩漿岩、變質岩中含鉀礦物的風化。鉀同鈉一樣與主要陰離子組成易溶化合物(KCl，K₂SO₄，K₂CO₃)。鉀鹽的溶解度較大，但在地下水中鉀離子的含量卻很少，一般只有鈉離子含量的4%～10%，其原因是鉀離子易被植物吸收和黏土膠體吸附，也可形成難溶的次生礦物(如水雲母等)。

6.鈣離子(Ca²⁺)

鈣離子是低礦化水的主要陽離子，由於鈣鹽的溶解度很小，因此，在天然水中鈣離子的含量並不高，一般很少超過1g/L。只有在深層的氯化鈣鹵水中鈣離子的含量才能達到每升幾十克。

鈣離子的主要來源是石灰岩、白雲岩和含鈣硫酸鹽礦物的溶解及岩漿岩與變質岩中含鈣礦物的風化。

7.鎂離子(Mg²⁺)

鎂離子在地下水中分布也很廣，但絕對含量卻不高。Mg²⁺在低礦化水中，可達數毫克每升，中等礦化水中幾克每升，高礦化水中可達幾十克每升。鎂鹽的溶解度大於鈣鹽，但在地下水中鎂離子的含量比鈣離子少，其主要原因是鎂離子易被植物攝取，易參與次生礦物生成。

鎂離子的主要來源是白雲岩、泥灰岩的溶解或基性、超基性岩石中某些礦物(黑雲母、橄欖石、角閃石等)的風化和分解。

(三)地下水中的主要微量元素

地下水中的元素含量小於10mg/L時稱為微量元素。常見的微量元素有:溴(Br)、碘(I)、氟(F)、硼(B)、磷(P)、鉛(Pb)、鋅(Zn)、鋰(Li)、銣(Rb)、鍶(Sr)、鋇(Ba)、砷(As)、鉬(Mo)、銅(Cu)、鈷(Co)、鎳(Ni)、銀(Ag)、鈹(Be)、汞(Hg)、銻(Sb)、鉍(Bi)、釩(V)、鎢(W)、鉻(Cr)、錳(Mn)及放射性元素:鈾(U)、鐳(Ra)、氡(Rn)、釷(Th)等。

水中微量元素呈膠體、分子或離子等形式存在。它們的含量一般低於1mg/L，因此，常用μg/L表示。

下面著重介紹地下水中常見的溴、碘、氟、硼四種微量元素。

1.溴(Br)

溴是地殼中數量不多且處於分散狀態的元素。它在天然水中的含量低於氯。淡水中的溴含量為0.001～0.2mg/L;海水中為65mg/L;礦水中溴的含量較高，為10～50mg/L;某些鹽湖水中可高達900mg/L;油田水中最高可達2000mg/L。

溴與氯一樣，隨礦化度增加而增加。結晶岩、沉積岩和土壤中處於分散狀態的溴和海洋中的溴是地下水中溴的主要來源。

2.碘(I)

碘在天然水中的含量比溴少，海水中碘含量為0.05mg/L，鹽湖鹵水中不含碘。與溴相似，在石油天然氣田中聚集了大量碘。我國四川盆地某石油井在5237m深處地下水中含碘量高達586mg/L。

碘是人體中不可缺少的重要元素，地下水中碘的高含量可能與有機質有關，或從海水蒸發進入大氣，形成降水入滲到含水岩層中。

3.氟(F)

河水、湖水和自流水鑽孔中的氟含量為0.3～1.0mg/L，海水中氟含量在1mg/L左右，礦泉水中氟含量增高，如雲南騰沖礦泉中氟的最高含量可達32.50mg/L，鹽湖鹵水可達37.80mg/L。

含氟礦物(如磷灰石、螢石、電氣石、雲母)是地下水中氟離子主要來源。岩石的平均含氟量以酸性岩最高，超基性岩最低。在現代火山活動區，氟可能來源於初生水。

4.硼(B)

硼屬稀散元素。天然水中都含有硼元素，但含量不高。礦化度低的地下水中硼含量為每升千分之幾到萬分之幾毫克;海水中硼為1.50～4.44mg/L;鹽湖鹵水中硼含量可高達150.00mg/L。地下水中的硼是從溶濾海相沉積岩或火山活動區岩石中富硼礦物進入地下水中的。

(四)地下水中其他成分

1.膠體成分

純水一般呈真溶液狀態，由於溶解某些鹽類或含有固體懸浮物質往往形成膠體溶液或懸濁液。組成地下水中膠體成分很多，但由於許多膠體成分不穩定，易生成次生礦物而沉澱。地下水中膠體成分主要有硅酸、氫氧化鐵、氫氧化鋁等。

(1)硅酸

硅酸是很弱的酸，它的離解程度很低。硅酸在每升地下水中的含量一般是十分之幾毫克，少數達幾毫克，但在鹼性熱水中，它的溶解性能好，可達到100mg/L。我國南方多雨潮濕的結晶岩地區，在一些低礦化度水中富集了硅酸鹽型水。黏土礦物即是硅鋁酸化合物膠體，最簡單的形式是Al₂O₃·2SiO₂·2H₂O，硅鋁酸陰離子使黏土膠體粒子帶有負電荷，是吸附陽離子的主要原因。

(2)氫氧化鐵

在還原環境中，地下水中的鐵通常以低價Fe²⁺出現，亞鐵離子在水中是不穩定的，極易氧化成氫氧化鐵析出:

普通水文地質學

膠體氫氧化鐵在地殼中分布很廣，也是鐵在天然水中存在的主要形式之一。

(3)氫氧化鋁

氫氧化鋁膠體主要由鋁硅酸鹽風化分解而來，但很不穩定，容易形成水礬土，葉蠟石等次生礦物，氫氧化鋁在地下水中含量不高。

2.有機質

有機質的化學成分十分復雜。構成有機質的主要元素碳、氫、氧佔98.5%，此外還有少量的氮、磷、硫、鉀、鈣等元素。

地下水中的有機質大部分由腐殖質所組成，它是有機質經微生物分解後再合成的一種褐色或黑褐色的膠體物質。沼澤地區的地下水，有機質含量較高，呈酸性。油田水中有機質含量最高達n×10^－1%。大氣降水和海洋水中有機質的含量最少。其他地下水中含量只有n×10^－3%。

地下水中有機質的主要來源是土壤、岩石或石油天然氣的溶解，細菌或生物的作用，沿海鹽水的侵入等。此外，工業廢水、石油、天然氣、煤等礦產的開發，農業排灌以及城市污染等也能形成有機質。

3.細菌成分

地下水中的細菌成分來自生活污水、生物製品、造紙等各種工業廢水，這些污水中往往含有各種病原菌，流入水體後會傳染各種疾病。此外，人類及動物的排泄物也能產生致病菌，污染地下水。

水的細菌分析結果一般用細菌總數(每升水中)、菌度(含有1條大腸桿菌的水的毫升數)和檢定量(1L水中大腸桿菌的含量)表示(表5－9)。我國規定1mL飲用水中細菌總數不得超過100個，大腸桿菌不得超過3個。

表5－9 地下水衛生狀況按菌度劃分

9. 天然地下水化學組分的形成作用

大氣降水和地表水在進入地表以下之前，已經含有某些物質，在進入地下包氣帶和飽水帶與岩土接觸後進一步發生變化。所以，地下水的化學成分與原來補給水的化學成分有著很大的不同。

4.2.2.1 溶濾作用

在水與岩土相互作用下，岩土中一部分物質轉入地下水中，這就是溶濾作用。溶濾作用的結果，使岩土失去一部分可溶物質，地下水則補充了新的組分。

水是由一個帶負電的氧離子和兩個帶正電的氫離子組成的。由於氫和氧分布不對稱(圖4.1)，在接近氧離子一端形成負極，氫離子一端形成正極，成為偶極分子。岩土與水接觸時，組成結晶格架的鹽類離子，被水分子帶相反電荷的一端所吸引;當水分子對離子的引力足以克服結晶格架中離子間的引力時，離子便脫離晶架，被水分子所包圍而溶入水中(圖4.2)。

實際上，當礦物鹽類與水溶液接觸時，同時發生兩種方向相反的作用:溶解作用與結晶(沉澱或析出)作用。前者使離子由結晶格架轉入水中，而後者使離子由溶液中固著於晶體格架上。隨著溶液中鹽類離子增加，結晶作用加強，溶解作用減弱。當同一時間內溶解與析出的鹽量相等時，溶液達到飽和。此時，溶液中某種鹽類的含量即為其溶解度。

圖4.1 水分子結構示意圖(據王大純等，1995)

圖4.2 水溶解NaCl晶體示意圖(據王大純等，1995)

圖4.3 鹽類溶解度和溫度的關系(據王大純等，1995)

對於不同鹽類，其結晶格架中離子間的吸引力不同，因而具有不同的溶解度。

隨著溫度上升，結晶格架內離子的振盪運動加劇，離子間引力削弱，水的極化分子易於將離子從結晶格架上拉出。因此，鹽類溶解度通常隨溫度上升而增大(圖4.3)。但是，某些鹽類例外，例如Na₂SO₄·10H₂O在溫度上升時，由於礦物結晶中的水分子逸出，離子間引力增大，當溶解度上升到一定值後，溶解度隨溫度升高反而降低;CaCO₃及MgCO₃的溶解度也隨溫度上升而降低，這與後面所提到的脫碳酸作用有關。

溶濾作用的強度，即岩土中的組分轉入水中的速率，取決於一系列因素。

首先取決於組成岩土的礦物鹽類的溶解度。顯然，含鹽岩沉積物中的NaCl將迅速轉入地下水中，而以SiO₂為主要成分的石英岩，是很難溶於水的。

岩土的空隙特徵是影響溶濾作用的另一因素。缺乏裂隙的緻密基岩，水難以與礦物鹽類接觸，溶濾作用便無從發生。

水的溶解能力決定著溶濾作用的強度。如前所述，水對某種鹽類的溶解能力隨水中該鹽類濃度增加而減弱。某一鹽類的濃度達到其溶解度時，水對此鹽類便失去溶解能力。總的來說，低礦化水溶解能力強而高礦化水溶解能力弱。

水中CO₂，O₂等氣體成分的含量決定著某些鹽類的溶解能力。水中CO₂含量愈高，溶解碳酸鹽及硅酸鹽的能力愈強。O₂的含量愈高，水溶解硫化物的能力愈強。

水的流動狀況是影響其溶解能力的一個關鍵因素。流動極慢接近停滯的地下水，隨著時間推移，水中溶解鹽類增多，CO₂，O₂等氣體耗失，最終將失去溶解能力，溶濾作用便告終止。地下水流動迅速時，礦化度低的、含有大量CO₂和O₂的大氣降水和地表水，不斷入滲更新含水層中原有的溶解能力降低了的水，地下水便經常保持強的溶解能力，岩土中的組分不斷向水中轉移，溶濾作用便持續地進行著。由此可知，地下水的徑流與交替強度是決定溶濾作用強度的最活躍最關鍵的因素。

不應將溶濾作用等同於純化學的溶解作用。溶濾作用乃是一種與一定的自然地理與地質環境相聯系的歷史過程。經受構造變動與剝蝕作用的岩層，接受來自大氣圈及地表水圈的入滲水補給而開始其溶濾過程。設想岩層中原來含有包括氯化物、硫酸鹽、碳酸鹽及硅酸鹽等各種礦物鹽類。開始階段，氯化物最易於由岩層轉入水中，而成為地下水中主要化學組分。隨著溶濾作用延續，岩層含有的氯化物由於不斷轉入水中並被水流帶走而貧化，相對易溶的硫酸鹽成為遷入水中的主要組分。溶濾作用長期持續，岩層中保留下來的幾乎只是難溶的碳酸鹽及硅酸鹽，地下水的化學成分當然也就以碳酸鹽及硅酸鹽為主了。因此，一個地區經受溶濾作用愈強烈，時間愈長久，地下水的礦化度愈低，愈是以難溶離子為其主要成分。

除了時間上的階段性，溶濾作用還顯示空間上的差異性。氣候愈是潮濕多雨，地質構造的開啟性愈好，岩層的導水能力愈強，地形切割愈強烈，地下徑流與水交替愈迅速，岩層經受的溶濾便愈充分，保留的易溶鹽類便愈貧乏，地下水的礦化度愈低，難溶離子的相對含量也就愈高。

4.2.2.2 濃縮作用

溶濾作用將岩土中的某些成分溶入水中，地下水的流動又把這些溶解物質帶到排泄區。在乾旱半乾旱地區的平原與盆地的低窪處，地下水位埋藏淺，蒸發成為地下水的主要排泄去路。由於蒸發作用只排走水分，鹽分仍保留在餘下的地下水中，隨著時間延續，地下水溶液逐漸濃縮，礦化度不斷增大。與此同時，隨著地下水礦化度升高，溶解度較小的鹽類在水中相繼達到飽和而沉澱析出，易溶鹽類(如NaCl)的離子逐漸成為水中主要成分。

設想未經蒸發濃縮前，地下水為低礦化水，陰離子以HCO^－₃為主，居第二位的是SO^2－₄，Cl^－的含量很小，陽離子以Ca²⁺和Mg²⁺為主。隨著蒸發濃縮的進行，溶解度小的鈣、鎂的碳酸鹽部分析出，SO^2－₄及Na⁺逐漸成為主要成分。繼續濃縮，水中硫酸鹽達到飽和並開始析出，最後便將形成以Cl^－，Na⁺為主的高礦化水。

產生濃縮作用必須同時具備下述條件:①乾旱或半乾旱的氣候;②低平地勢控制下較淺的地下水位埋深;③有利於毛細作用的顆粒細小的鬆散沉積物;④地下水流動系統的勢匯(排泄)處。最後一個是必備的條件，因為只有水分源源不斷地向某一范圍供應，才能從別處帶來大量的鹽分，並使之集聚。乾旱氣候下濃縮作用的規模從根本上說取決於地下水流動系統的空間尺度以及其持續的時間尺度。

當上述條件都具備時，濃縮作用十分強烈，在有些情況下可以形成礦化度大於30～300g/L的地下鹹水和地下鹵水。

4.2.2.3 脫碳酸作用

水中CO₂的溶解度受環境的溫度和壓力控制。CO₂的溶解度隨溫度升高或壓力降低而減小，一部分CO₂便成為游離CO₂從水中逸出，這便是脫碳酸作用。脫碳酸作用的結果，使地下水中HCO^－₃及Ca²⁺，Mg²⁺減少，礦化度降低，變化過程可用下式表示:

地下水科學概論

少數深部地下水上升形成的泉，在泉口附近往往形成鈣華，這是脫碳酸作用的結果。由於脫碳酸作用使Ca²⁺，Mg²⁺從水中析出，泉水中陽離子通常以Na⁺為主。

4.2.2.4 脫硫酸作用

在還原環境中，當有有機質存在時，脫硫酸細菌能使SO^2－₄還原為H₂S，反應可用下式表示:

地下水科學概論

結果使地下水中SO^2－₄減少以至消失，HCO^－₃增加，pH值升高。

封閉的地質構造，如儲油構造，是產生脫硫酸作用的有利環境。因此，某些油田水中出現H₂S，而SO^2－₄含量很低。這一特徵可以作為尋找油田的輔助標志。

4.2.2.5 陽離子交替吸附作用

岩土顆粒表面帶有負電荷，能夠吸附陽離子。一定條件下，顆粒將吸附地下水中某些陽離子，而將其原來吸附的部分陽離子轉為地下水中的組分，這便是陽離子交替吸附作用。

不同的陽離子，其吸附於岩土表面的能力不同，按吸附能力，自大而小的順序為:H⁺>Fe³⁺>Al³⁺>Ca²⁺>Mg²⁺>K⁺>Na⁺。離子價愈高，離子半徑愈大，水化離子半徑愈小，則吸附能力愈大，H⁺則是例外。

當含Ca²⁺為主的地下水，進入主要吸附有Na⁺的岩土時，水中的Ca²⁺便置換岩土所吸附的一部分Na⁺，使地下水中Na⁺增多而Ca²⁺減少。

地下水中某種離子的相對濃度增大，則該種離子的交替吸附能力(置換岩土所吸附的離子的能力)也隨之增大。例如，當地下水中以Na⁺為主，而岩土中原來吸附有較多的Ca²⁺，那麼，水中的Na⁺將反過來置換岩土吸附的部分Ca²⁺。海水在陸相沉積物中入侵時，就可能發生這種情況。

顯然，陽離子交替吸附作用的規模取決於岩土的吸附能力，而後者決定於岩土顆粒的比表面積。顆粒愈細小，比表面積愈大，交替吸附作用的規模也就愈大。因此，粘土及粘性土類沉積物最容易發生陽離子交替吸附作用，而在緻密的結晶岩中，實際上不發生這種作用。

4.2.2.6 混合作用

成分不同的兩種水匯合在一起，可以形成化學成分與原來兩者都不相同的地下水，這便是混合作用。海濱、湖畔或河邊，地表水往往混入地下水中;深層地下水補給淺部含水層時，則發生兩種地下水的混合。

混合作用的結果，可能發生化學反應而形成化學類型完全不同的地下水。例如，當以SO^2－₄，Na⁺為主的地下水與HCO^－₃，Ca²⁺為主的水混合時，發生以下反應:

地下水科學概論

結果，石膏沉澱析出，形成以HCO^－₃及Na⁺為主的地下水。

兩種水的混合也可能不發生明顯的化學反應。例如當高礦化的Cl-Na型海水混入低礦化的HCO₃-Ca·Mg型地下水中，基本上不發生化學反應。這種情況下，混合水的礦化度與水化學類型取決於參與混合的兩種水的成分及其混合比例。

4.2.2.7 人類活動的影響

近幾十年來，隨著經濟的發展與人口的增長，人類活動對地下水化學成分的影響愈來愈明顯。一方面，人類生活與生產活動產生的廢棄物污染地下水;另一方面，人為作用大規模地改變了地下水形成條件，從而使地下水化學成分也發生變化。

工業生產的廢氣、廢水與廢渣以及農業上大量使用化肥農葯，使天然地下水富集了原來含量很低的有害元素，如酚、氰、汞、砷、鉻、亞硝酸等。

人為作用通過改變形成條件而使地下水水質變化表現在以下各方面。濱海地區過量開采地下水引起海水入侵，不合理打井開采地下水使鹹水運移，這兩種情況都會使水質良好的淡水含水層變咸。乾旱半乾旱地區不合理地引入地表水灌溉，會使淺層地下水位上升，引起大面積次生鹽漬化，並使淺層地下水變咸。原來分布地下鹹水的地區，通過挖渠打井，降低地下水位，使原來主要排泄去路由蒸發改為徑流排泄，從而逐步使地下水水質淡化。在這些地區，通過引來區外淡的地表水，以合理的方式補給地下水，也可以使地下水變淡。

人類干預自然的能力正在迅速增強。因此，防止人類活動對地下水水質的不利影響，採用有效措施使地下水水質向有利方向演變，顯得愈來愈重要(王大純等，1995)。