1、第五章 地下水基本成因類型與化學(xué)成分形成特征,一、地下水基本成因類型 從地下水的來源和化學(xué)成分形成的基本作用出發(fā)，可以將地下水成因分為三個(gè)基本類型： 滲入成因 沉積成因 內(nèi)生成因,1、滲入成因地下水 大氣降水起源的（“大氣降水成因的”）， 溶濾水、滲入水等，是一類外生水。,2、沉積成因地下水 沉積物在盆地堆積成巖的過程中，總會(huì)保存一定的水，這種與沉積物同期沉積埋藏下來的水，叫沉積成因地下水。 沉積-埋藏水，封存水，化石水 海相成因的： 陸相成因的： 同生的：與巖石沉積成巖作用同時(shí)生成的水； 后生的：從原沉積物排出運(yùn)動(dòng)至其它地層中的水,3、內(nèi)生成因地下水 來自地球深部，或火山作用中的巖漿；變質(zhì)作

2、用 內(nèi)生水 巖漿成因的：直接從巖漿分逸出來、首次進(jìn)入地殼淺部的水 （巖漿水，初生水） 變質(zhì)成因的：變質(zhì)作用過程中產(chǎn)生的水（高溫下，巖石礦物 中的水由結(jié)合狀態(tài)轉(zhuǎn)為游離狀態(tài)）（變質(zhì)水，再生水）,地下水基本成因類型,二、滲入成因地下水化學(xué)成分的形成與特征 從大氣降水降落到地表，到進(jìn)入含水層，再到一部分蒸發(fā)返回大氣，可以劃分四個(gè)階段： 大氣降水階段； 植物-土壤影響階段； 水-巖相互作用階段； 蒸發(fā)濃縮階段,1、大氣降水階段 大氣降水的化學(xué)成分具有區(qū)域特征，鹽類組分含量低； （HCO3-， Ca2+；Cl-， Na+）,除了鹽類組分外，大氣降水含有可溶性氣體； （ O2：使水具有氧化作用的能力； CO

3、2：溶于降水形成碳酸，降低了雨水的pH，提高了侵蝕性 ） 大氣降水較低的鹽類組分含量、弱酸性中性和含有可溶性氣體，造成大氣降水相對(duì)于化合物（礦物）遠(yuǎn)未飽和，具有侵蝕性。因此具有溶解礦物、使各種元素在水中積聚的能力。 人為因素影響下，形成酸雨，使得雨水的礦化度、成分、氧化-還原性質(zhì)、侵蝕性等方面都有所變化。,2、植物-土壤影響階段（包氣帶水巖作用階段） 雨水降落到地表，在多數(shù)情況下先與植物和土壤相遇，并開始成為地下水（土壤水），植物和土壤對(duì)于水的成分顯示了重要的影響。 （1）植物 使水富集一些元素，雨水流經(jīng)植物根部時(shí)，經(jīng)常會(huì)富集一些植 物中的生物成因元素； 瑞典Gorham（1955）作了一個(gè)比

4、較研究，在松柏針葉樹樹根下采的雨水樣與當(dāng)?shù)乜罩胁傻挠晁畼酉啾?，發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過植物的雨水的鈉和鈣含量高出三倍，鉀則高出七倍。,（2）土壤 土壤對(duì)于入滲的大氣降水成分的作用，突出表現(xiàn)為土壤中所含有機(jī)物質(zhì)的分解，增加了CO2，從而改變降水的成分。 （3）不同景觀帶土壤的差異 位于不同景觀帶的土壤，對(duì)于地下水成分的影響是不同的。例如，在森林地帶，經(jīng)過土壤層后，地下水富集了硅、鋁、有機(jī)酸；在草原地帶，地下水溶解了大量的鹽類組分。而在堿性土分布區(qū)，可形成堿性水（PH7），礦化度可以較高。 氧化還原作用，溶解作用，生物因素,（4）植物-土壤影響階段地下水的共同特征： 相對(duì)于原生鋁硅酸鹽，一般土壤水都未達(dá)到飽和狀

5、態(tài)，即具有溶解原生鋁硅酸鹽的能力。 土壤水中含有數(shù)量可觀的碳酸類化合物，這包括游離碳酸（ CO2）、HCO3-、CO32-以及仍未被氧化的有機(jī)化合物，后者的進(jìn)一步分解將使水中碳酸化合物含量進(jìn)一步提高。 這兩點(diǎn)共同特征決定了滲入成因地下水在經(jīng)過植物-土壤影響階段后，仍具有很強(qiáng)的與圍巖介質(zhì)發(fā)生反應(yīng)的能力。,3、水-巖相互作用階段 地下水進(jìn)入含水層中，與巖石相接觸，發(fā)生相互作用。 圍巖與水之間的地球化學(xué)作用類型：溶解作用和氧化還原作用是滲入成因地下水與巖石之間兩種基本的地球化學(xué)作用。 影響因素： （1）地下水交替強(qiáng)度或徑流強(qiáng)度 巖石中含有鹽巖、石膏、方解石等礦物，溶解的先后次序： Na+, Cl-最

6、早被水帶走；然后是Ca2+, SO42-, 最終為Ca2+, HCO3-等難溶礦物溶解產(chǎn)物。 （2）CO2分壓（TDS低、酸度大）,4、蒸發(fā)濃縮階段 蒸發(fā)作用對(duì)地下水化學(xué)成分影響最明顯的地區(qū)為大陸鹽漬化發(fā)育地區(qū)。在蒸發(fā)濃縮過程中，鹽類有次序地在地下水中析出。相應(yīng)地，礦化度增大，水的化學(xué)成分也發(fā)生變化。 西北各內(nèi)陸盆地（塔里木、準(zhǔn)噶爾、河西走廊、柴達(dá)木等），都廣泛發(fā)育大陸鹽漬化作用，在地表形成鹽漬土，極大地影響了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，也給鐵路的修建和運(yùn)營(yíng)帶來了許多問題。,單一蒸發(fā)濃縮作用下，從水中依次沉淀出以下礦物： Al, Fe, Mn的氫氧化物SiO2和粘土礦物Al, Fe, Mn的磷酸鹽Ca和Mg的碳

7、酸鹽 CaSO4 （石膏）Na2SO4（芒硝）Na, K的氯化物Mg的氯化物Na, K和Ca的硝酸鹽； 相應(yīng)地，地下水的TDS增大，其化學(xué)成分也發(fā)生規(guī)律性的變化： 不同陽(yáng)離子成分的硅酸-重碳酸鹽水重碳酸鈉鈣水、蘇打水Na2SO4型水Cl-Na水和Cl-Na-Ca水。,三、沉積成因地下水化學(xué)成分的形成與特征 （以海相封存水為例） 由于海相沉積占地殼表層沉積的絕大部分，海水成分相對(duì)較為穩(wěn)定，因此已有的研究大多集中在海相沉積-埋藏水上。近年來，注意力開始轉(zhuǎn)向陸相沉積成因水。 形成過程： 含于沉積物中的水成分(地表水體)后生作用(擠壓、變形、變質(zhì)、熱液交代、風(fēng)化等作用) 沉積水.,沉積物從松散的顆粒（

8、泥和砂）演化成為巖石，一般經(jīng)歷了壓實(shí)、固結(jié)和脫水三個(gè)階段。 沉積成因水大都埋藏在地下幾百米甚至幾千米的深處，多屬地下鹵水、油田水或深層地下熱水。,滲入水 （地質(zhì)歷史 時(shí)期，出露 地表；混合）,典型沉積盆地沉積水的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn),海水成分特征： （1）弱堿性； （2）海水中溶解的無機(jī)物質(zhì)按其含量順順序?yàn)镃l-、Na+、 SO42- 、Ca2+ 、Mg2+ 、 K+ 、HCO3-、 Br- 、 CO32- 等；海水中主要離子含量的固定次序是Na+ + K+ Mg2+ Ca2+, Cl- SO42- HCO3- + CO32-, 與一般河水的成分恰好相反。 海水：Cl-Na 河水：HCO3-Ca,在海相沉

9、積水形成過程中，海水與介質(zhì)發(fā)生相互作用，化學(xué)成分形成機(jī)理十分復(fù)雜。 主要的作用有： 1、蒸發(fā)濃縮作用 2、脫硫酸作用 3、陽(yáng)離子交換作用 4、次生白云巖化作用 5、鈉長(zhǎng)石化作用,1、蒸發(fā)濃縮作用 在蒸發(fā)作用下，海水鹽分（濃度）不斷增大，隨之而來的是海水所含鹽成分的變化： 首先是CaCO3, MgCO3沉淀； 然后， CaSO4, NaCl, MgSO4, KCl, MgCl2 不同的沉淀階段后，殘留海水中鹽類離子濃度不同（115，表3.8） 在蒸發(fā)濃縮的各個(gè)階段不會(huì)形成含溴的礦物，因此溴的濃度可作為海水濃縮的標(biāo)志 (Cl, Cl/Br)。 一般情況下，海水的Na/Cl=0.85； Cl/Br=

10、300,2、脫硫酸作用 海相淤泥水的成分特征 與海相沉積物一起被埋藏下來的沉積水，進(jìn)入了新的介質(zhì)環(huán)境，這種新的介質(zhì)環(huán)境突出地表現(xiàn)在以下兩方面： 海相淤泥沉積物富含有機(jī)質(zhì)及各種微生物。 海相淤泥多處于還原環(huán)境。在垂向上，海相淤泥距水表面數(shù)厘米以下，即由氧化環(huán)境轉(zhuǎn)為還原環(huán)境；而橫向上，由海盆邊緣向中央，沉積物由偏氧化的環(huán)境（受陸相環(huán)境的影響多一些）轉(zhuǎn)為偏還原的環(huán)境。 這種新的介質(zhì)環(huán)境是一個(gè)富含有機(jī)質(zhì)和微生物的厭氧還原環(huán)境。,脫硫酸作用 由于處于富含有機(jī)物質(zhì)和微生物的還原環(huán)境，海相淤泥水中SO42-被還原： SO42- + 2C有機(jī) + 2H2OH2S + 2HCO3- 作用的結(jié)果是水中SO42-減

11、少乃至消失，出現(xiàn)H2S， HCO3-含量增加，pH增大。,陽(yáng)離子交換作用 次生白云巖化作用 解釋海相封存水中CaCl2水的形成。 鈉長(zhǎng)石化作用 在海水濃縮過程的各個(gè)階段中，不會(huì)形成CaCl2水，但實(shí)際上，許多海相封存水是CaCl2水。,美國(guó)：,3、陽(yáng)離子交換作用 2NaCl + Ca2+（吸附）CaCl2 +2Na+（吸附） 要形成CaCl2 水，交換吸附方向必須是從左向右。 當(dāng)Na+的濃度較大時(shí)，才會(huì)發(fā)生這樣的交換。富含Na+的海水（沉積水）與富含Ca2+的陸源沉積物相遇： 海侵時(shí)， 海相沉積物中的沉積水在壓實(shí)過程中，運(yùn)動(dòng)到富含 Ca2+的陸源沉積物（后生水） 海退時(shí)， 可形成NaHCO3、

12、HCO3-Ca-HCO3-Na,4、次生白云巖化作用 現(xiàn)代沉積學(xué)研究證實(shí)，原生沉積的白云巖幾乎不存在，白云巖大多是次生白云巖化產(chǎn)生。即方解石沉積后被含Mg2+的溶液交代而形成，其反應(yīng)式為： 石鹽沉淀后，殘余鹵水具有MgCl2成分。在深部環(huán)境中，含鎂高的鹵水與石灰?guī)r相互作用，并使其變?yōu)榘自茙r。這種作用稱為次生白云巖化作用。同時(shí)形成CaCl2 水。 通過該反應(yīng)形成CaCl2型鹵水的可能性已被實(shí)驗(yàn)所證實(shí)。用海水+CaCO3反應(yīng)，在T 100時(shí)，反應(yīng)后的溶液中 Mg2+濃度急劇下降，在溶液中出現(xiàn) Ca2+ 。,5、鈉長(zhǎng)石化作用 (用于解釋火山成因沉積物中CaCl2型鹵水成因) CaCl2 水不僅在白云巖分布區(qū)遇到，也出現(xiàn)在火山成因沉積物中。 在鈣長(zhǎng)石轉(zhuǎn)變?yōu)殁c長(zhǎng)石的過程中，鈣長(zhǎng)石中的Ca2+, Al3+被鹵水中的Na+, Si4+替代，導(dǎo)致Ca2+進(jìn)入溶液： 結(jié)果水中Na+含量降低， Ca2