地下水的化学成分有哪些作用

1. 地下水在人类生活、生产中的作用

地下水与人类生存和发展有密切联系，这些联系主要表现在以下各方面。

1.地下水是一种重要的供水水源

水是生命的源泉，人类的生存、生活和生产都离不开水。据统计，目前我国每生产1kg小麦约需耗水1000～1500kg;每生产1kg皮棉需耗水5000kg。炼钢1t约需耗水6.7t;生产1t化肥需耗水2.5t;生产1t纸需耗水数百吨。

在全球的淡水资源组成中，地下水占有重要地位。一般由于地下水水质良好，分布广泛，便于就地开采利用，水量较稳定，故在全世界的总供水量中，地下水占有较大比例。而在干旱、半干旱地区，地下水是主要的，甚至是唯一的可用水源。据不完全统计，在我国181个大中城市中，有61个城市主要以地下水作为供水水源，40个城市以地表水、地下水共同作为供水水源。全国有近1/3左右人口饮用地下水。在农田灌溉用水中，地下水也是重要的水利资源。根据水利部门的统计资料:1999年我国地下水开采量已达1031×108m3，即占全国总供水量的18.36%。但在我国干旱的北方地区，地下水则要占到总供水量的30%。

2.地下水是重要的矿产资源

有的地下水中富集了某些元素，如溴、碘、锶、钡等，可以从中提取工业原料，形成具有工业价值的矿水。有些地下水含有某种特殊的成分或具有较高的温度，对某些疾病有医疗作用，这种水称为医疗矿水。有些地下水含有较高含量的硝态氮，这种水称为“肥水”。

3.地下水是寻找某些矿床的有效标志

地下水流经某些矿床分布地带，在水中就会含有该矿床的某些化学组分，形成“水分散晕”出露地表，成为找矿标志，利用这种标志找矿，称为水文地球化学找矿。它对于寻找石油、金属硫化矿床、放射性矿床、盐矿床等是十分有效的。

4.地下热水是宝贵的热能资源

地球是个庞大的热库，蕴藏着丰富的地热能。目前世界上开发利用地热能，主要是利用地下热水(汽)的热能。地下热水(汽)可以用于发电、取暖、农业生产和某些国民经济部门，它对于节约燃料、减轻环境污染有着重要意义。

5.地下水是采矿和地下工程施工的严重威胁

地下水是一种宝贵的自然资源。但是，在某些情况下，地下水又是有害因素。

采矿时，地下水常涌入坑道，轻则影响采掘工作进行，增加成本;重则发生矿山坑道的淹没和破坏，甚至发生毁灭性突水事故，造成生命财产的损失。露天开采时，地下水可引起边坡塌滑等。因此，只有查明矿床及地下工程的水文地质条件，才能预测矿井或地下工程的涌水量，为排水疏干工程设计提供水文地质依据，以及解决矿床开采与地下工程开挖引起的各种环境地质问题，这是水文地质学要解决的重要课题。

6.地下水可造成土壤盐渍化、沼泽化，破坏土壤肥力

在干旱、半干旱地区，当地下水埋藏较浅时，往往造成土壤盐渍化。湿润地区的平原和盆地，地下水位过浅，会产生土壤沼泽化。土壤盐渍化和沼泽化，破坏了土壤肥力，危害作物的生长。

7.地下水活动使某些工程效益受到损失

在修建工业民用建筑时，如不考虑建筑物基础下地下水的情况，会使地基产生不均匀沉降，破坏建筑物的稳定。当地下水位太高时，为降低水位，要建立高费用的排水设施;开挖基坑，有时可能造成基坑大量涌水，增加施工难度。由于地下水的活动，可引起建筑物附近的边坡塌滑，危及建筑物的安全。

在修建水库、运河、渠道等水利工程时，由于对地下水的规律没有查明，结果使水工建筑物受到破坏或大量的水漏失，使蓄洪、发电、引水灌溉等效益受到很大影响。地下水的活动，还会引起水库沿岸回水、铁路公路边坡的滑动和冻胀。

8.地下水过量取用和污染引起的环境问题

地下水不仅是一种资源，同时也是地球环境的重要组成部分。环境的变化(如气候、地表径流、植被等的变化)无疑将对地下水产生影响。同样，地下水状态的变化，反过来也会对环境造成影响。

由于长期过量开采地下水，使区域地下水位持续下降;区域地下水位的大幅度下降，又可能导致地面沉降、岩溶塌陷、地裂缝、海水入侵等环境地质灾害的发生，还可能导致地表水体萎缩、地表径流衰减、岩溶大泉干枯、地表生态条件恶化等严重的环境生态问题。为治理地下水开采引发的环境负效应，往往要付出巨大代价。

尽管相对于地下水难以污染，但是一旦遭受污染，却很难消除。生活污水的排放，不适当地使用化肥农药，以及工业废水废料的大量排放，已经并正在使许多地下水源因污染而不能利用。

除了人为影响产生的地下水水质问题外，某些天然的地下水由于过量富集了某些元素，或缺乏某种人体必需的元素，常会引起人、畜致病。如水中含氟过多会引起牙齿斑釉病，缺氟患牙蛀病，水中缺碘引起甲状腺肿病等。

综上所述，地下水既可以为人类造福，也可对人类产生危害。因此，充分利用地下水利，防治地下水害，变害为利是水文地质学的重要任务。

2. 地下水的物理性质包括哪些内容地下水的化学成分有哪些

地下水化学不是纯的H2O，而是天然溶液，含有各种组分。v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。v物理性质：温度、颜色、嗅、味、密度、导电性、放射性。v化学性质：气体成分、离子成分、胶体物质、有机质等。v水是岩石中元素迁移、分散与富集的载体

3. 地下水的化学成分及其形成作用

地下水化学组分受地质、水文地质条件、地貌和气候的控制，依地下水的补给、径流、排泄条件，呈规律性的分布。

山区、岗地和山前倾斜平原中上部为溶滤带，地下水交替条件好，一般为重碳酸型低矿化淡水，水质良好；沉积岩地区钙含量高，一般不缺碘；岩浆岩地区钠镁含量高，在豫西、大别山岩浆岩分布区则碘含量低，氟含量高。

平原区由于地下水溶解易溶盐，愈接近前缘，水位变浅，径流滞缓，垂直交替作用强烈，使盐分浓缩，导致浅层地下水由山前向平原水化学见明显的分带性，即由重碳酸型过渡到重碳酸、硫酸、氯化物型，矿化度由低逐步增高，水质由淡水变成微咸、半咸水。黄河冲积扇，上部地下径流相对流畅、水化学属重碳酸型，为淡水；到中下游的新乡、开封东部等地，硫酸盐增高，相间分布有微咸水；前缘地带特别是商丘、安阳东部，地势低平，地下水径流滞缓，蒸发强烈，出现重碳酸、氯化物型水，矿化度2～3g/l，且西北东南向呈条带状分布有大于3～5g/l的半咸水，浅层咸水、半咸水的分布面积为4920km²。

平原区中深层地下水，封丘、兰考以东的大部分有面状分布的微咸水，矿化度2～4.3g/l，面积约24800km²，其他地区属重碳酸型淡水。

4. 研究地下水中气体成分有什么意义

地下水中常见的气体成分
主要有氧O2 、氮N2 、二氧化碳CO2 、硫化氢H2S、甲烷CH4
常见的气体成分与地下水所处环境,地下水的来源有关。
研究地下水中气体成分的意义:
气体成分-能够说明地下水所处的地球化学环境;水中有些气体-会增加水溶解盐类的能力,促进某些化学反应。

5. 地下水化学成分的基本成因类型

地球上的水圈是原始地壳生成后，氢和氧随同其他易挥发组分从地球内层圈逸出而形成的。因此，地下水与其他形式的水一样都是起源于地球深部层圈。从形成地下水化学成分的基本作用出发，可将地下水分为三个主要成因类型：溶滤水、沉积水和内生水。

1.溶滤水

含有O₂与CO₂的大气降水或地表水渗入地下后，溶滤它所流经的岩土，而获得其他的化学成分，这种水称之为溶滤水。溶滤水的成分受气候、地形、地貌及流经岩性等因素的影响。

地下水流经的岩土对溶滤水的水化学成分有一定的影响。在含有石膏沉积的第三系地层分布区，水中含有较多的Ca²⁺和。石灰岩、白云岩等碳酸盐沉积区的地下水，以、Ca²⁺和Mg²⁺为其主要成分。酸性岩浆岩地区的地下水大多为HCO₃ -Na型水。煤系地层分布区及有色金属矿床附近常形成硫酸盐型水。

气候对溶滤水的化学组分的影响十分显着。在气候炎热潮湿地区，不同性质的岩土经过长期充分的洗蚀，易迁移的离子大部分均已淋失，剩下的是碳酸盐、二氧化硅和氧化铝等难以迁移的矿物。尽管原来地层的岩性不同，最终在浅部会形成低矿化的重碳酸盐型水，并且，硅酸占有一定的比例。在干旱气候条件下，蒸发强烈，不论地层岩性如何，浅部地下水都会由重碳酸盐型水转变为硫酸盐型水，最终形成矿化度很高的氯化钠型水。总的来说，气候是决定地壳浅部元素迁移的重要因素，区域性的溶滤水化学成分反映了气候的影响。

地形对溶滤作用的影响，是通过地下水径流条件起作用的。在切割强烈的山区，地下水径流条件好，径流强烈，水交替迅速，地下水滞留时间短，岩层中的易溶成分不断被溶滤并被带走，故地下水的矿化度低，以重碳酸盐型水为主。地势平坦的地区，地下径流缓慢，水交替微弱，水与岩土作用时间长，地下水中易溶离子含量和矿化度较高。

在气候、地形、地貌及岩性等因素的综合作用下，潜水化学类型具有分带性。区域分带性主要受气候的控制，在沿地下径流方向也显示出分带性。我国西北地区气候干旱的大型断陷盆地中，潜水的分带性表现得十分典型和完整。如青海的柴达木盆地，从盆地边缘的洪积扇顶部，到盆地中心的察尔汗盐湖，基本可分为三个水化学带：第一带，是重碳酸盐型水带，位于洪积扇中、上部的戈壁砾石带，以、Ca²⁺为主，矿化度小于1 g/L；第二带，是硫酸盐型水带，位于洪积扇下缘的细土带，阴离子以为主，阳离子逐渐由Ca²⁺变为Na⁺，矿化度为1～3 g/L；第三带，为氯化物型水带，位于湖积细土平原-盐湖，以Cl^-、Na⁺为主，矿化度一般大于30 g/L，到察尔汗盐湖附近，矿化度高达100～300 g/L。

这些地区不仅在平面上具有水化学分带特征，而且在一些部位也呈现出垂直分带的特点：在洪积扇下缘—湖区，为地下水泄出带，地下径流以由下而上的越流排泄为主，下部为重碳酸盐型水；地下水在向上径流时，逐渐变为硫酸盐型水；到了近地表处，由于蒸发强烈，浓缩作用加强，成为以Cl^-、Na⁺为主的氯化物型水。

与大气圈联系较为密切的基岩中开启构造中的承压水，以及平原地区的浅层承压水，也都属于溶滤水。如黄河中下游平原，由黄河古河道形成的浅层承压含水层，由于开启性好，渗透性强，水交替强烈，溶滤作用发育，往往形成低矿化的重碳酸盐型水；而在其两侧，多为古河间洼地，径流条件差，水交替微弱，则形成较高矿化度的硫酸盐型水，乃至高矿化的氯化物型水；古河道上游地区主要为重碳酸盐型水，向下径流过程中，水交替变弱，矿化度逐渐增高，地下水类型逐渐过渡为硫酸盐-氯化物型水。

半干旱的华北平原的潜水和浅层承压水，水化学类型也显示出分带性，但要复杂得多，不但受控于近代的气候和地形、地貌，而且还受控于古气候、古地理和古沉积环境。

2.沉积水

沉积水是指与沉积物同时生成的地下水。在连续沉降的盆地中，沉积物连同生成时的水一起逐渐地被深埋。尽管不同水体（海相、河相、湖相）的沉积物，具有不同的原始化学成分，但在漫长的地质时期中，赋存在含水层中的沉积水由于流动性好，经受了一系列的复杂变化后，已面目全非。赋存在海相淤泥中的沉积水，由于淤泥渗透性差，其中的沉积水受到外界的影响小，其化学成分在一定程度上反映了古沉积盆地的水化学特征，一直受到研究者的重视。

海相淤泥沉积物具有的特点是：孔隙度、含水量和比表面积大，渗透性很差，其中的孔隙水渗出极为缓慢，通常含有机质和各种微生物。由于处在还原环境中，有利于各种生物化学作用的进行。

海水的平均化学成分是矿化度为35g／L的氯化钠型水（r（Na）/r（Cl）=0.85，Cl/Br=293）。在漫长的地质时期中，海相淤泥中的沉积水历经各种变化，其成分与现代海水相比，有以下特征：①矿化度很高，最高可达300g／L；②硫酸根离子减少，甚至消失；③钙的相对含量明显增大，钠减少，r（Na）/r（Cl）<0.85；④溴、碘富集，尤其是碘含量增加，Cl/Br变小；⑤出现硫化氢、甲烷、铵、氮；⑥ pH值增加。

对于海相沉积水矿化度的增大，有不同的解释，一般认为是海水在潟湖中浓缩所致，也有人认为是沉积物被深埋后，在深部高温蒸发所致。

脱硫酸作用对海相沉积水成分改变影响最大，它使水中的减少乃至消失，出现H₂ S，含量增加。含量增加与pH值的升高，会使部分碳酸钙和碳酸镁沉淀析出，令水中的Ca²⁺、Mg²⁺减少。

海相沉积水中钙的增多，虽然认为是阳离子吸附交换的结果，但有人认为，在浅海盆地的水下三角洲，当河流将吸附的大量Ca²⁺粘土带入海洋时，产生吸附交替反应，使钙析出，增加了水中Ca²⁺的含量。在克拉玛依油田，乌尔禾组水下三角洲储油构造（埋藏深度为3000m左右）中的油田水就属于该成因的高矿化氯化钙型水。

海相淤泥中生物遗骸的分解使溴、碘富集，并产生甲烷等有机气体。

海相淤泥在成岩过程中受到上覆地层压力压实时，一部分被挤压进入相邻颗粒较粗的地层中，形成后生沉积水，这种水广泛存在于储油构造中；另一部分则仍保留在淤泥层中，这便是同生沉积水。

埋藏在地层中的海相淤泥沉积水，由于地壳运动而被剥蚀出露地表，或由于断裂构造与外界连通，沉积水有可能被溶滤水所取代，但也可能出现溶滤水与沉积水相混合的情况，形成新的水化学成分。

3.内生水

内生水是源自地球深部层圈的水。目前对内生水的研究还不成熟，人们仅能从岩体中的包裹体溶液和现代火山喷出的蒸汽冷凝水中得到一些粗浅的认识。

在太平洋、大西洋等大洋的洋中脊-海底扩张带上，当海底扩张时，内生水伴随来自地球深部的玄武岩喷发，进入水圈。另外，内生水也可通过某些深大断裂加入到高温热泉中，如海洋底部的含有金、银等金属的高温热泉。虽然人们可以从这两方面感受到内生水的存在，但对内生水的典型化学特征至今仍不清楚。内生水的研究仍属地质学和水文地质学中有重要理论研究意义的一个难题。

6. 地下水与化学成分是什么

地下水中所含的无机的和有机的化学成分。地下水是一种浓度较稀的溶液，它含有常见离子。

最常见的阳离子是钙、镁、钠，最常见的阴离子是重碳酸根、硫酸根、氯根、微量组分，如氟、溴、碘、硼等和气体组成，如氮、二氧化碳、甲烷等。一定化学成分的地下水是一定的地质环境下的产物。

地下水的来源

地下水作为地球上重要的水体，与人类社会有着密切的关系。地下水的贮存有如在地下形成一个巨大的水库，以其稳定的供水条件、良好的水质，而成为农业灌溉、工矿企业以及城市生活用水的重要水源。

成为人类社会必不可少的重要水资源，尤其是在地表缺水的干旱、半干旱地区，地下水常常成为当地的主要供水水源。

广泛埋藏于地表以下的各种状态的水，统称为地下水。大气降水是地下水的主要来源。根据地下埋藏条件的不同，地下水可分为上层滞水、潜水和自流水三大类，按照埋藏条件可分为包气带水、潜水和承压水，按照埋藏介质可分为孔隙水、裂隙水和岩溶水。

地下水是水资源的重要组成部分，由于水量稳定，水质好，是农业灌溉、工矿和城市的重要水源之一。但在一定条件下，地下水的变化也会引起沼泽化、盐渍化、滑坡、地面沉降等不利自然现象。

7. 地下水的主要化学性质

地下水中含有复杂的化学成分，因此使其具有相应的化学性质。主要化学性质有:酸碱性、硬度、总矿化度、氧化还原性及侵蚀性等。

1.酸碱性

地下水的酸碱性与氢离子的浓度有关。水中氢离子浓度通常用pH值表示。pH值为氢离子浓度的负对数，即pH=－lg［H⁺］。当水温在25℃时，［H⁺］·［OH^－］=10^－14。在纯水中，氢离子的浓度与氢氧根离子的浓度相等，即［H⁺］=10^－7，［OH^－］=10^－7，pH=7，说明水呈中性。当［H⁺］大于10^－7时，pH小于7，说明水呈酸性。当［H⁺］小于10^－7时，pH大于7，说明水呈碱性。大部分天然水的pH值介于6～8.5之间(表5－10)。地下水按pH值可分为七类(表5－11)。pH值是确定很多化学成分(硫化氢、二氧化硅、重金属等)能否存在于水溶液中的指标。

表5－10 天然水的pH值

表5－11 地下水按pH值分类

2.硬度

水的硬度决定于钙、镁离子的含量，其他金属离子如铁、锰、铝、锶、锌等也能生成硬度，但是在地下水中这些离子含量极少，可忽略不计。

硬度可分为总硬度、暂时硬度、永久硬度及碳酸盐硬度。

(1)总硬度

水中所含钙、镁离子的总量称为总硬度。

(2)暂时硬度

将水加热至沸腾，由于脱碳酸作用，水中的重碳酸根离子与钙、镁离子结合形成碳酸盐沉淀。呈碳酸盐沉淀的这部分钙、镁离子的数量称为暂时硬度。

普通水文地质学

(3)永久硬度

指水沸腾以后仍保留在水中的钙、镁离子的含量(即总硬度与暂时硬度的差值)称为永久硬度。

(4)碳酸盐硬度

碳酸盐硬度是指水中与重碳酸根离子含量相当的钙、镁离子含量。有时用碳酸盐硬度代替暂时硬度。实际上，碳酸盐硬度往往大于暂时硬度。因为水沸腾时，水中的重碳酸根离子不可能完全角成沉淀，其中有一部分重碳酸根离子因受热而分解成CO₂气体逸出了。

水中氢氧根离子、碳酸根离子和重碳酸根离子的总量称为水的总碱度。如果一般水中不含氢氧根离子和碳酸根离子，则重碳酸根离子含量往往就是总碱度，总碱度减去总硬度就是负硬度。

目前我国常采用德国度和每升水中钙、镁离子的毫克当量数表示。根据硬度将水分为五类(表5－12)。

表5－12 地下水按硬度分类

①1meq/L(毫克当量/升)=2.8德国度;1毫克当量/升=1毫摩尔×离子价/升。

水的硬度与工业及生活用水关系很大，硬水使锅炉产生锅垢，纺织品变脆，洗衣消耗大量的肥皂，饮用会影响肠胃消化功能。饮用水的硬度标准为10～25德国度。

3.总矿化度(M)

水的总矿化度是指单位体积水中所含各种离子、分子及化合物(不包括游离状态的气体成分)的总量，以g/L表示。通常用水在105℃～110℃下蒸干后所得的干涸残渣质量来表示水的矿化度。也可以将分析所得离子、化合物含量相加，计算求得理论干涸残余物质。但在计算时，HCO^－₃只能采用含量的1/2。因为在蒸干时有将近1/2的HCO^－₃分解生成CO₂和H₂O逸出。其反应式如下:

普通水文地质学

根据矿化度，将地下水分为五类(表5－13)。

表5－13 水按矿化度的分类

水的矿化度与化学成分有密切关系，低矿化度的水常以HCO^－₃为主，中等矿化度的水以SO^2－₄为主，高矿化度的水以Cl^－为主。在地壳正常的水动力带中，地下水的矿化度随深度而增加。

4.氧化还原性

在地下水中，含有各种离子、分子及胶体等物质。它们经常会发生化学反应。化学反应中某些物质失去电子，称为氧化反应，则此物质为还原剂;某些物质获得电子，称为还原反应，此物质为氧化剂。在反应中氧化反应和还原反应同时发生，氧化剂和还原剂同时存在，称为氧化还原反应。因此地下水具有氧化还原性。

以氧化还原电位(E_h)衡量氧化还原性的强弱。在25℃时，氧化还原电位和物质浓度之间的关系可用能斯特公式计算。即

普通水文地质学

式中:E_h为氧化还原电位，V;E⁰_h为标准电位，V;n为氧化还原反应中得到或失去的电子数;［氧化态］、［还原态］分别表示氧化还原反应中氧化态和还原态物质的摩尔浓度。

E_h值愈大，其氧化性相对愈强;反之，其还原性相对愈强。

氧化环境的主要特点是地下水中含有游离O₂，E_h值较大，而pH值较小，一般位于地表附近及地下水强径流带，对大多数金属元素具有较大的迁移能力。还原环境中的地下水不含游离O₂，E_h值较小，而pH值较大，含CH₄及有机化合物，有的还含有H₂S。

5.侵蚀性

地下水的侵蚀性主要表现在含侵蚀性CO₂水对混凝土的侵蚀，硫酸盐对混凝土的侵蚀及酸性水对机械设备的侵蚀。

(1)侵蚀性CO₂的侵蚀

含有CO₂的地下水和混凝土接触，混凝土中的CaCO₃将加快溶解而遭受破坏。

普通水文地质学

(2)硫酸盐侵蚀

硫酸盐侵蚀也称结晶性侵蚀。当地下水中Cl^－含量小于1000mg/L，而SO^2－₄含量大于250mg/L时，就会发生硫酸盐侵蚀。其机理是SO^2－₄渗入混凝土内，与其某些成分相互作用，生成含水的硫铝酸盐，反应式如下:

普通水文地质学

这种新生成的硫铝酸盐的体积比原来的混凝土的体积要增大2.5倍，使混凝土的结构疏松，遭受破坏。

(3)酸性侵蚀

酸性侵蚀主要是铁置换了水中H⁺所造成的。

普通水文地质学

酸性侵蚀与水的pH值有关，pH值越小，酸性越强，水对金属的腐蚀作用也越强。当pH=6.5时，水对铁质材料有腐蚀作用，使水管使用年限缩短5%，pH﹤4，水泵只需几天或十几天就不能使用。

8. 地下水中的主要化学成分

地下水是由各种无机物和有机物质组成的天然溶液，从化学成分来看，它是溶解的气体、离子以及来源于矿物和生物胶体物质的复杂综合体。

(一)地下水中的主要气体成分

地下水中溶有不等量的气体，一般其含量为10^－4%～10^－1%，常见的气体有氧(O₂)、氮(N₂)、硫化氢(H₂S)、二氧化碳(CO₂)等。

1.氧(O₂)、氮(N₂)

氧是地壳中分布最广的元素，地下水中氧主要来源于大气，在高度25km大气圈中氧的含量占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，越往深处，含量越少，其变化范围通常在每升十几毫克以内。氧在水中有较大的溶解度，其溶解量与水的矿化度、埋藏深度、大气压力等有关。含溶解氧多的水，说明处于氧化环境。

氮在空气中占78.09%，地下水中的氮气主要来源于大气，结晶岩地区一些构造破碎带的低矿化含氮温泉，以及火山热液气体成分中，经常含有氮气(表5－6)。氮的溶解度与温度有关，但它的变化幅度较小。

表5－6 火山热液气体成分的含量(单位:%)

2.硫化氢(H₂S)

天然水中硫化氢的含量很少，能够呈溶解气体和硫氢酸盐的离解形式存在，但各种形式的存在状况与pH值有关系(表5－7)。

地下水中硫化氢来源于硫酸盐的还原、硫化物的分解以及火山喷发物质。

普通水文地质学

某些地下热水、工业废水及生活污水中也含有H₂S。硫化氢含量大于2mg/L的地下水，称为硫化氢矿水。在某些油田水中，每升水中硫化氢含量可高达几克，因此，常以此作为寻找油气田的间接标志。

表5－7 硫化氢和硫氢酸的存在形式与pH值的关系

3.二氧化碳(CO₂)

二氧化碳的来源很复杂，它可能来自大气(空气中二氧化碳占0.03%);土壤中生物化学作用(土壤中每年形成13.5×10¹⁰t二氧化碳);火山岩浆活动地带碳酸盐遇热分解:

普通水文地质学

沉积岩中含碳酸盐岩石与酸性矿水作用也能形成二氧化碳:

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地下水中的pH值决定了各种形式碳酸的含量(表5－8)。地下水中二氧化碳含量通常为每升几十毫克，一般不超过150mg/L，由于二氧化碳的存在，使水的类型、侵蚀性、矿化度等发生了变化。

表5－8 pH值与碳酸形态之间的关系表

(二)地下水中的主要离子成分

地下水中离子成分是水溶解矿物盐分的产物。地下水中分布最广的有Cl^－，SO^2－₄，HCO^－₃，Na⁺，K⁺，Ca²⁺，Mg²⁺七种离子。这七种离子在很大程度上决定了地下水化学的基本特性。

1.氯离子(Cl^－)

氯离子是地下水中分布最广的阴离子，溶解度比较高，几乎存在于所有的地下水中，其含量由每升数毫克至百余克，在弱矿化的地下水中，氯离子含量极少，随着矿化度的增加，氯离子含量有所增加。在干旱地区的潜水中，氯离子含量与矿化度成正比。

地下水中氯离子来源于盐岩矿床、岩浆岩的风化矿物(如氯磷灰石Ca₅［PO₄］₃Cl、方钠石Na₈［AlSiO₄］₆Cl₂)，火山喷发物质等。此外，还来源于生活污水及工业、农业排放的废水。在沿海地区由于海水入侵使氯离子含量增高。

2.硫酸根离子(SO^2－₄)

地下水中硫酸根离子的含量每升水中由十分之几毫克至数十克不等，由于钙离子的存在使硫酸根离子的含量受到限制，因为它们能形成CaSO₄沉淀。在中等矿化的水中，硫酸根离子可成为含量最高的阴离子。

地下水中硫酸根离子来源于石膏及其他硫酸盐沉积物的溶解，硫化物和自然硫的氧化。如:

普通水文地质学

火山喷发时，有相当数量的硫化物和硫化氢气体喷出并被氧化成硫酸根离子。

硫酸根离子也来自有机质的分解及某些工业废水，因此，居民点附近地下水中SO^2－₄的存在常常和污染有关。

3.重碳酸根离子(HCO^－₃)

重碳酸根离子是地下水中重要的组成部分。它是低矿化水的主要阴离子成分，常和Ca²⁺，Mg²⁺共存，其含量一般小于1g/L。当地下水中有大量二氧化碳时，重碳酸根离子的浓度大大增加。在碳酸水中可达1.24g/L或更多，而在河、湖水中不超过250mg/L。

地下水中重碳酸根离子主要来源于碳酸盐岩类(如石灰岩、白云岩、泥灰岩)的溶解。

普通水文地质学

在岩浆岩与变质岩地区来自铝硅酸盐矿物(如钠长石钙长石)的风化。

4.钠离子(Na⁺)

天然水中，钠离子的分布在阳离子中占首位，海水中钠离子含量占全部阳离子的84%。钠盐具有较高的溶解度，在低矿化水中钠离子含量由每升几毫克至几十毫克，随着矿化度的增加钠离子含量也增加，在卤水中最高含量可达每升数十至百克。

地下水中钠离子来源于盐岩矿床及火成岩和变质岩中含钠的矿物(如钠长石、斜长石、霞石)的风化。如:

普通水文地质学

钠还可以由含有吸附钠的岩石与含有钙离子的水发生阳离子交替吸附作用，使原来岩石上吸附的钠离子转入地下水中。

5.钾离子(K⁺)

钾在地壳中的含量与钠相似(钾占2.59%，钠占2.83%)，钾离子来源于含钾盐沉积物的溶解及岩浆岩、变质岩中含钾矿物的风化。钾同钠一样与主要阴离子组成易溶化合物(KCl，K₂SO₄，K₂CO₃)。钾盐的溶解度较大，但在地下水中钾离子的含量却很少，一般只有钠离子含量的4%～10%，其原因是钾离子易被植物吸收和黏土胶体吸附，也可形成难溶的次生矿物(如水云母等)。

6.钙离子(Ca²⁺)

钙离子是低矿化水的主要阳离子，由于钙盐的溶解度很小，因此，在天然水中钙离子的含量并不高，一般很少超过1g/L。只有在深层的氯化钙卤水中钙离子的含量才能达到每升几十克。

钙离子的主要来源是石灰岩、白云岩和含钙硫酸盐矿物的溶解及岩浆岩与变质岩中含钙矿物的风化。

7.镁离子(Mg²⁺)

镁离子在地下水中分布也很广，但绝对含量却不高。Mg²⁺在低矿化水中，可达数毫克每升，中等矿化水中几克每升，高矿化水中可达几十克每升。镁盐的溶解度大于钙盐，但在地下水中镁离子的含量比钙离子少，其主要原因是镁离子易被植物摄取，易参与次生矿物生成。

镁离子的主要来源是白云岩、泥灰岩的溶解或基性、超基性岩石中某些矿物(黑云母、橄榄石、角闪石等)的风化和分解。

(三)地下水中的主要微量元素

地下水中的元素含量小于10mg/L时称为微量元素。常见的微量元素有:溴(Br)、碘(I)、氟(F)、硼(B)、磷(P)、铅(Pb)、锌(Zn)、锂(Li)、铷(Rb)、锶(Sr)、钡(Ba)、砷(As)、钼(Mo)、铜(Cu)、钴(Co)、镍(Ni)、银(Ag)、铍(Be)、汞(Hg)、锑(Sb)、铋(Bi)、钒(V)、钨(W)、铬(Cr)、锰(Mn)及放射性元素:铀(U)、镭(Ra)、氡(Rn)、钍(Th)等。

水中微量元素呈胶体、分子或离子等形式存在。它们的含量一般低于1mg/L，因此，常用μg/L表示。

下面着重介绍地下水中常见的溴、碘、氟、硼四种微量元素。

1.溴(Br)

溴是地壳中数量不多且处于分散状态的元素。它在天然水中的含量低于氯。淡水中的溴含量为0.001～0.2mg/L;海水中为65mg/L;矿水中溴的含量较高，为10～50mg/L;某些盐湖水中可高达900mg/L;油田水中最高可达2000mg/L。

溴与氯一样，随矿化度增加而增加。结晶岩、沉积岩和土壤中处于分散状态的溴和海洋中的溴是地下水中溴的主要来源。

2.碘(I)

碘在天然水中的含量比溴少，海水中碘含量为0.05mg/L，盐湖卤水中不含碘。与溴相似，在石油天然气田中聚集了大量碘。我国四川盆地某石油井在5237m深处地下水中含碘量高达586mg/L。

碘是人体中不可缺少的重要元素，地下水中碘的高含量可能与有机质有关，或从海水蒸发进入大气，形成降水入渗到含水岩层中。

3.氟(F)

河水、湖水和自流水钻孔中的氟含量为0.3～1.0mg/L，海水中氟含量在1mg/L左右，矿泉水中氟含量增高，如云南腾冲矿泉中氟的最高含量可达32.50mg/L，盐湖卤水可达37.80mg/L。

含氟矿物(如磷灰石、萤石、电气石、云母)是地下水中氟离子主要来源。岩石的平均含氟量以酸性岩最高，超基性岩最低。在现代火山活动区，氟可能来源于初生水。

4.硼(B)

硼属稀散元素。天然水中都含有硼元素，但含量不高。矿化度低的地下水中硼含量为每升千分之几到万分之几毫克;海水中硼为1.50～4.44mg/L;盐湖卤水中硼含量可高达150.00mg/L。地下水中的硼是从溶滤海相沉积岩或火山活动区岩石中富硼矿物进入地下水中的。

(四)地下水中其他成分

1.胶体成分

纯水一般呈真溶液状态，由于溶解某些盐类或含有固体悬浮物质往往形成胶体溶液或悬浊液。组成地下水中胶体成分很多，但由于许多胶体成分不稳定，易生成次生矿物而沉淀。地下水中胶体成分主要有硅酸、氢氧化铁、氢氧化铝等。

(1)硅酸

硅酸是很弱的酸，它的离解程度很低。硅酸在每升地下水中的含量一般是十分之几毫克，少数达几毫克，但在碱性热水中，它的溶解性能好，可达到100mg/L。我国南方多雨潮湿的结晶岩地区，在一些低矿化度水中富集了硅酸盐型水。黏土矿物即是硅铝酸化合物胶体，最简单的形式是Al₂O₃·2SiO₂·2H₂O，硅铝酸阴离子使黏土胶体粒子带有负电荷，是吸附阳离子的主要原因。

(2)氢氧化铁

在还原环境中，地下水中的铁通常以低价Fe²⁺出现，亚铁离子在水中是不稳定的，极易氧化成氢氧化铁析出:

普通水文地质学

胶体氢氧化铁在地壳中分布很广，也是铁在天然水中存在的主要形式之一。

(3)氢氧化铝

氢氧化铝胶体主要由铝硅酸盐风化分解而来，但很不稳定，容易形成水矾土，叶蜡石等次生矿物，氢氧化铝在地下水中含量不高。

2.有机质

有机质的化学成分十分复杂。构成有机质的主要元素碳、氢、氧占98.5%，此外还有少量的氮、磷、硫、钾、钙等元素。

地下水中的有机质大部分由腐殖质所组成，它是有机质经微生物分解后再合成的一种褐色或黑褐色的胶体物质。沼泽地区的地下水，有机质含量较高，呈酸性。油田水中有机质含量最高达n×10^－1%。大气降水和海洋水中有机质的含量最少。其他地下水中含量只有n×10^－3%。

地下水中有机质的主要来源是土壤、岩石或石油天然气的溶解，细菌或生物的作用，沿海盐水的侵入等。此外，工业废水、石油、天然气、煤等矿产的开发，农业排灌以及城市污染等也能形成有机质。

3.细菌成分

地下水中的细菌成分来自生活污水、生物制品、造纸等各种工业废水，这些污水中往往含有各种病原菌，流入水体后会传染各种疾病。此外，人类及动物的排泄物也能产生致病菌，污染地下水。

水的细菌分析结果一般用细菌总数(每升水中)、菌度(含有1条大肠杆菌的水的毫升数)和检定量(1L水中大肠杆菌的含量)表示(表5－9)。我国规定1mL饮用水中细菌总数不得超过100个，大肠杆菌不得超过3个。

表5－9 地下水卫生状况按菌度划分

9. 天然地下水化学组分的形成作用

大气降水和地表水在进入地表以下之前，已经含有某些物质，在进入地下包气带和饱水带与岩土接触后进一步发生变化。所以，地下水的化学成分与原来补给水的化学成分有着很大的不同。

4.2.2.1 溶滤作用

在水与岩土相互作用下，岩土中一部分物质转入地下水中，这就是溶滤作用。溶滤作用的结果，使岩土失去一部分可溶物质，地下水则补充了新的组分。

水是由一个带负电的氧离子和两个带正电的氢离子组成的。由于氢和氧分布不对称(图4.1)，在接近氧离子一端形成负极，氢离子一端形成正极，成为偶极分子。岩土与水接触时，组成结晶格架的盐类离子，被水分子带相反电荷的一端所吸引;当水分子对离子的引力足以克服结晶格架中离子间的引力时，离子便脱离晶架，被水分子所包围而溶入水中(图4.2)。

实际上，当矿物盐类与水溶液接触时，同时发生两种方向相反的作用:溶解作用与结晶(沉淀或析出)作用。前者使离子由结晶格架转入水中，而后者使离子由溶液中固着于晶体格架上。随着溶液中盐类离子增加，结晶作用加强，溶解作用减弱。当同一时间内溶解与析出的盐量相等时，溶液达到饱和。此时，溶液中某种盐类的含量即为其溶解度。

图4.1 水分子结构示意图(据王大纯等，1995)

图4.2 水溶解NaCl晶体示意图(据王大纯等，1995)

图4.3 盐类溶解度和温度的关系(据王大纯等，1995)

对于不同盐类，其结晶格架中离子间的吸引力不同，因而具有不同的溶解度。

随着温度上升，结晶格架内离子的振荡运动加剧，离子间引力削弱，水的极化分子易于将离子从结晶格架上拉出。因此，盐类溶解度通常随温度上升而增大(图4.3)。但是，某些盐类例外，例如Na₂SO₄·10H₂O在温度上升时，由于矿物结晶中的水分子逸出，离子间引力增大，当溶解度上升到一定值后，溶解度随温度升高反而降低;CaCO₃及MgCO₃的溶解度也随温度上升而降低，这与后面所提到的脱碳酸作用有关。

溶滤作用的强度，即岩土中的组分转入水中的速率，取决于一系列因素。

首先取决于组成岩土的矿物盐类的溶解度。显然，含盐岩沉积物中的NaCl将迅速转入地下水中，而以SiO₂为主要成分的石英岩，是很难溶于水的。

岩土的空隙特征是影响溶滤作用的另一因素。缺乏裂隙的致密基岩，水难以与矿物盐类接触，溶滤作用便无从发生。

水的溶解能力决定着溶滤作用的强度。如前所述，水对某种盐类的溶解能力随水中该盐类浓度增加而减弱。某一盐类的浓度达到其溶解度时，水对此盐类便失去溶解能力。总的来说，低矿化水溶解能力强而高矿化水溶解能力弱。

水中CO₂，O₂等气体成分的含量决定着某些盐类的溶解能力。水中CO₂含量愈高，溶解碳酸盐及硅酸盐的能力愈强。O₂的含量愈高，水溶解硫化物的能力愈强。

水的流动状况是影响其溶解能力的一个关键因素。流动极慢接近停滞的地下水，随着时间推移，水中溶解盐类增多，CO₂，O₂等气体耗失，最终将失去溶解能力，溶滤作用便告终止。地下水流动迅速时，矿化度低的、含有大量CO₂和O₂的大气降水和地表水，不断入渗更新含水层中原有的溶解能力降低了的水，地下水便经常保持强的溶解能力，岩土中的组分不断向水中转移，溶滤作用便持续地进行着。由此可知，地下水的径流与交替强度是决定溶滤作用强度的最活跃最关键的因素。

不应将溶滤作用等同于纯化学的溶解作用。溶滤作用乃是一种与一定的自然地理与地质环境相联系的历史过程。经受构造变动与剥蚀作用的岩层，接受来自大气圈及地表水圈的入渗水补给而开始其溶滤过程。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。开始阶段，氯化物最易于由岩层转入水中，而成为地下水中主要化学组分。随着溶滤作用延续，岩层含有的氯化物由于不断转入水中并被水流带走而贫化，相对易溶的硫酸盐成为迁入水中的主要组分。溶滤作用长期持续，岩层中保留下来的几乎只是难溶的碳酸盐及硅酸盐，地下水的化学成分当然也就以碳酸盐及硅酸盐为主了。因此，一个地区经受溶滤作用愈强烈，时间愈长久，地下水的矿化度愈低，愈是以难溶离子为其主要成分。

除了时间上的阶段性，溶滤作用还显示空间上的差异性。气候愈是潮湿多雨，地质构造的开启性愈好，岩层的导水能力愈强，地形切割愈强烈，地下径流与水交替愈迅速，岩层经受的溶滤便愈充分，保留的易溶盐类便愈贫乏，地下水的矿化度愈低，难溶离子的相对含量也就愈高。

4.2.2.2 浓缩作用

溶滤作用将岩土中的某些成分溶入水中，地下水的流动又把这些溶解物质带到排泄区。在干旱半干旱地区的平原与盆地的低洼处，地下水位埋藏浅，蒸发成为地下水的主要排泄去路。由于蒸发作用只排走水分，盐分仍保留在余下的地下水中，随着时间延续，地下水溶液逐渐浓缩，矿化度不断增大。与此同时，随着地下水矿化度升高，溶解度较小的盐类在水中相继达到饱和而沉淀析出，易溶盐类(如NaCl)的离子逐渐成为水中主要成分。

设想未经蒸发浓缩前，地下水为低矿化水，阴离子以HCO^－₃为主，居第二位的是SO^2－₄，Cl^－的含量很小，阳离子以Ca²⁺和Mg²⁺为主。随着蒸发浓缩的进行，溶解度小的钙、镁的碳酸盐部分析出，SO^2－₄及Na⁺逐渐成为主要成分。继续浓缩，水中硫酸盐达到饱和并开始析出，最后便将形成以Cl^－，Na⁺为主的高矿化水。

产生浓缩作用必须同时具备下述条件:①干旱或半干旱的气候;②低平地势控制下较浅的地下水位埋深;③有利于毛细作用的颗粒细小的松散沉积物;④地下水流动系统的势汇(排泄)处。最后一个是必备的条件，因为只有水分源源不断地向某一范围供应，才能从别处带来大量的盐分，并使之集聚。干旱气候下浓缩作用的规模从根本上说取决于地下水流动系统的空间尺度以及其持续的时间尺度。

当上述条件都具备时，浓缩作用十分强烈，在有些情况下可以形成矿化度大于30～300g/L的地下咸水和地下卤水。

4.2.2.3 脱碳酸作用

水中CO₂的溶解度受环境的温度和压力控制。CO₂的溶解度随温度升高或压力降低而减小，一部分CO₂便成为游离CO₂从水中逸出，这便是脱碳酸作用。脱碳酸作用的结果，使地下水中HCO^－₃及Ca²⁺，Mg²⁺减少，矿化度降低，变化过程可用下式表示:

地下水科学概论

少数深部地下水上升形成的泉，在泉口附近往往形成钙华，这是脱碳酸作用的结果。由于脱碳酸作用使Ca²⁺，Mg²⁺从水中析出，泉水中阳离子通常以Na⁺为主。

4.2.2.4 脱硫酸作用

在还原环境中，当有有机质存在时，脱硫酸细菌能使SO^2－₄还原为H₂S，反应可用下式表示:

地下水科学概论

结果使地下水中SO^2－₄减少以至消失，HCO^－₃增加，pH值升高。

封闭的地质构造，如储油构造，是产生脱硫酸作用的有利环境。因此，某些油田水中出现H₂S，而SO^2－₄含量很低。这一特征可以作为寻找油田的辅助标志。

4.2.2.5 阳离子交替吸附作用

岩土颗粒表面带有负电荷，能够吸附阳离子。一定条件下，颗粒将吸附地下水中某些阳离子，而将其原来吸附的部分阳离子转为地下水中的组分，这便是阳离子交替吸附作用。

不同的阳离子，其吸附于岩土表面的能力不同，按吸附能力，自大而小的顺序为:H⁺>Fe³⁺>Al³⁺>Ca²⁺>Mg²⁺>K⁺>Na⁺。离子价愈高，离子半径愈大，水化离子半径愈小，则吸附能力愈大，H⁺则是例外。

当含Ca²⁺为主的地下水，进入主要吸附有Na⁺的岩土时，水中的Ca²⁺便置换岩土所吸附的一部分Na⁺，使地下水中Na⁺增多而Ca²⁺减少。

地下水中某种离子的相对浓度增大，则该种离子的交替吸附能力(置换岩土所吸附的离子的能力)也随之增大。例如，当地下水中以Na⁺为主，而岩土中原来吸附有较多的Ca²⁺，那么，水中的Na⁺将反过来置换岩土吸附的部分Ca²⁺。海水在陆相沉积物中入侵时，就可能发生这种情况。

显然，阳离子交替吸附作用的规模取决于岩土的吸附能力，而后者决定于岩土颗粒的比表面积。颗粒愈细小，比表面积愈大，交替吸附作用的规模也就愈大。因此，粘土及粘性土类沉积物最容易发生阳离子交替吸附作用，而在致密的结晶岩中，实际上不发生这种作用。

4.2.2.6 混合作用

成分不同的两种水汇合在一起，可以形成化学成分与原来两者都不相同的地下水，这便是混合作用。海滨、湖畔或河边，地表水往往混入地下水中;深层地下水补给浅部含水层时，则发生两种地下水的混合。

混合作用的结果，可能发生化学反应而形成化学类型完全不同的地下水。例如，当以SO^2－₄，Na⁺为主的地下水与HCO^－₃，Ca²⁺为主的水混合时，发生以下反应:

地下水科学概论

结果，石膏沉淀析出，形成以HCO^－₃及Na⁺为主的地下水。

两种水的混合也可能不发生明显的化学反应。例如当高矿化的Cl-Na型海水混入低矿化的HCO₃-Ca·Mg型地下水中，基本上不发生化学反应。这种情况下，混合水的矿化度与水化学类型取决于参与混合的两种水的成分及其混合比例。

4.2.2.7 人类活动的影响

近几十年来，随着经济的发展与人口的增长，人类活动对地下水化学成分的影响愈来愈明显。一方面，人类生活与生产活动产生的废弃物污染地下水;另一方面，人为作用大规模地改变了地下水形成条件，从而使地下水化学成分也发生变化。

工业生产的废气、废水与废渣以及农业上大量使用化肥农药，使天然地下水富集了原来含量很低的有害元素，如酚、氰、汞、砷、铬、亚硝酸等。

人为作用通过改变形成条件而使地下水水质变化表现在以下各方面。滨海地区过量开采地下水引起海水入侵，不合理打井开采地下水使咸水运移，这两种情况都会使水质良好的淡水含水层变咸。干旱半干旱地区不合理地引入地表水灌溉，会使浅层地下水位上升，引起大面积次生盐渍化，并使浅层地下水变咸。原来分布地下咸水的地区，通过挖渠打井，降低地下水位，使原来主要排泄去路由蒸发改为径流排泄，从而逐步使地下水水质淡化。在这些地区，通过引来区外淡的地表水，以合理的方式补给地下水，也可以使地下水变淡。

人类干预自然的能力正在迅速增强。因此，防止人类活动对地下水水质的不利影响，采用有效措施使地下水水质向有利方向演变，显得愈来愈重要(王大纯等，1995)。