6-溶解與沉淀過程-2

1、水文地球化學(xué)水文地球化學(xué)主講：郭清海主講：郭清海中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）環(huán)境學(xué)院中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）環(huán)境學(xué)院一門關(guān)于地下水的科學(xué)一門關(guān)于地下水的科學(xué)不同巖性含水層中的溶解不同巖性含水層中的溶解-沉淀作用沉淀作用l碳酸鹽巖地區(qū)碳酸鹽巖地區(qū)l復(fù)雜沉積巖地區(qū)復(fù)雜沉積巖地區(qū)l結(jié)晶巖地區(qū)結(jié)晶巖地區(qū)碳酸鹽巖地區(qū)碳酸鹽巖地區(qū)地下水化學(xué)成分的形成和特征地下水化學(xué)成分的形成和特征l碳酸鹽巖約占地表沉積巖分布面積的碳酸鹽巖約占地表沉積巖分布面積的20%我國碳酸鹽巖分布面積占整個國土面積的我國碳酸鹽巖分布面積占整個國土面積的1/3，以西，以西南地區(qū)與華北地區(qū)最為發(fā)育。南地區(qū)與華北地區(qū)最為發(fā)育。l主要分布于主要分布于Z、

2、O、D、 C、P、T及部分及部分J、K和和N 的海相地層中。的海相地層中。碳酸鹽巖地區(qū)碳酸鹽巖地區(qū)地下水組分形成的影響因素地下水組分形成的影響因素l地下水化學(xué)成分的形成與方解石和白云石地下水化學(xué)成分的形成與方解石和白云石的溶解的溶解-沉淀過程密切相關(guān)沉淀過程密切相關(guān):l受巖溶地下水系統(tǒng)開、閉性的影響受巖溶地下水系統(tǒng)開、閉性的影響l受水與礦物的相遇順序影響受水與礦物的相遇順序影響l受其他礦物的影響受其他礦物的影響l受地下水中其他組分的影響受地下水中其他組分的影響l受地下水流動過程中環(huán)境溫度的影響受地下水流動過程中環(huán)境溫度的影響巖溶地下水系統(tǒng)巖溶地下水系統(tǒng)開閉性對地下水的影響開閉性對地下水的影響l

3、開系統(tǒng)開系統(tǒng)特征：特征：PCO2基本保持不變基本保持不變判據(jù)判據(jù)l流量、水位動態(tài)對旱雨季響應(yīng)明顯流量、水位動態(tài)對旱雨季響應(yīng)明顯l地下水中有來自地表的污染物（地下水中有來自地表的污染物（NO3-、Cl-、細(xì)菌）、細(xì)菌）l地下水中的計算地下水中的計算PCO2高于大氣高于大氣PCO2巖溶地下水系統(tǒng)巖溶地下水系統(tǒng)開閉性對地下水的影響開閉性對地下水的影響l開系統(tǒng)開系統(tǒng)PCO2保持不變，方解石白云石保持不變，方解石白云石不斷溶解至飽和不斷溶解至飽和Lg (HCO3)與與pH呈線形關(guān)系呈線形關(guān)系HCO3,Ca,TDS高，高，pH低，低，SI 1泉華：開系統(tǒng)中的地下水以泉泉華：開系統(tǒng)中的地下水以泉出露地表（從

4、溶洞流出），出露地表（從溶洞流出），CO2溢出，溢出，Pco2降低，在泉口附近形降低，在泉口附近形成成CaCO3 或或 CaMg(CO3)2 沉淀沉淀 2213 HpKKHCOCOCO巖溶地下水系統(tǒng)巖溶地下水系統(tǒng)開閉性對地下水的影響開閉性對地下水的影響l閉系統(tǒng)閉系統(tǒng)特征：特征：PCO2不斷下降。不斷下降。判據(jù)判據(jù)l流量、水位動態(tài)對旱雨季無明顯響應(yīng)流量、水位動態(tài)對旱雨季無明顯響應(yīng)l地下水中無來自地表的污染物（地下水中無來自地表的污染物（NO3-、Cl-、細(xì)、細(xì)菌）菌）l地下水中計算地下水中計算PCO2較低較低巖溶地下水系統(tǒng)巖溶地下水系統(tǒng)開閉性對地下水的影響開閉性對地下水的影響l閉系統(tǒng)閉系統(tǒng)PCO

5、2快速下降，對方解快速下降，對方解石白云石溶解能力降低，石白云石溶解能力降低，達(dá)到飽和相對困難達(dá)到飽和相對困難HCO3與與pH呈非線性呈非線性, pH增加增加HCO3增加很少增加很少HCO3、Ca、TDS低，低，pH高，高，SI1產(chǎn)生少量泉華產(chǎn)生少量泉華巖溶地下水系統(tǒng)巖溶地下水系統(tǒng)開閉性對地下水的影響開閉性對地下水的影響開、閉系統(tǒng)的化學(xué)成分比較開、閉系統(tǒng)的化學(xué)成分比較巖溶地下水系統(tǒng)巖溶地下水系統(tǒng)礦物溶解順序?qū)Φ叵滤挠绊懙V物溶解順序?qū)Φ叵滤挠绊憀地下水流動過程中所遇到的礦物的順序不同，將地下水流動過程中所遇到的礦物的順序不同，將會導(dǎo)致地下水化學(xué)組分的差異會導(dǎo)致地下水化學(xué)組分的差異l3種溶解順

6、序種溶解順序l白云石白云石方解石方解石l方解石方解石白云石白云石l同步溶解同步溶解l第一種溶解順序：白云石第一種溶解順序：白云石方解石方解石先遇白云石，飽和后，再遇方解石先遇白云石，飽和后，再遇方解石對于以上的溶解順序，地下水溫度將對水化學(xué)過程產(chǎn)生影響對于以上的溶解順序，地下水溫度將對水化學(xué)過程產(chǎn)生影響原因原因lKc=Ca2+CO32- lKd= Ca2+Mg2+CO32-2 Ca2+ CO32- 2lT = 15 C時，時，Kd = Kclt Kc ；即白云石飽和后，水流經(jīng)方解石時出現(xiàn)沉淀；即白云石飽和后，水流經(jīng)方解石時出現(xiàn)沉淀lt 15 C時，時，Kd 白云石，故方解石先飽和而沉淀，白云石

7、，故方解石先飽和而沉淀，白云石繼續(xù)溶解白云石繼續(xù)溶解；l結(jié)果：地下水中的結(jié)果：地下水中的Ca2+與與Mg2+的摩爾濃度之比初始值高，后的摩爾濃度之比初始值高，后來逐漸漸低；來逐漸漸低；l如果白云石含量遠(yuǎn)大于方解石（如灰質(zhì)白云巖），白云石將如果白云石含量遠(yuǎn)大于方解石（如灰質(zhì)白云巖），白云石將先達(dá)到飽和，此時，方解石的溶解就更難了，最終形成的地先達(dá)到飽和，此時，方解石的溶解就更難了，最終形成的地下水中的下水中的Ca2+與與Mg2+的摩爾濃度之比可能小于前一種情況。的摩爾濃度之比可能小于前一種情況。若方解石、白云石均達(dá)到溶解平衡，則若方解石、白云石均達(dá)到溶解平衡，則 DCKKMgCa/222碳酸鹽巖

8、地區(qū)碳酸鹽巖地區(qū)其他因素對地下水的影響其他因素對地下水的影響l地下水溫度的影響地下水溫度的影響大多數(shù)礦物的溶解度隨溫度增加而增大，但碳酸鹽巖區(qū)的大多數(shù)礦物的溶解度隨溫度增加而增大，但碳酸鹽巖區(qū)的主要礦物主要礦物方解石方解石與與白云石白云石恰好相反，而且溶解度隨水溫變恰好相反，而且溶解度隨水溫變化較大。化較大。對碳酸鹽巖區(qū)而言，在地下水流動過程中，若沿流徑水溫對碳酸鹽巖區(qū)而言，在地下水流動過程中，若沿流徑水溫增加，則水中鈣、重碳酸、增加，則水中鈣、重碳酸、TDS等可能不遵循含量隨流程等可能不遵循含量隨流程增加而升高的規(guī)律；與此相反，由低溫區(qū)到高溫區(qū)，可能增加而升高的規(guī)律；與此相反，由低溫區(qū)到高溫

9、區(qū)，可能產(chǎn)生方解石和白云石沉淀，地下水的產(chǎn)生方解石和白云石沉淀，地下水的TDS下降。下降。例如，融雪季節(jié)時地表附近對方解石飽和的低溫水下滲至例如，融雪季節(jié)時地表附近對方解石飽和的低溫水下滲至地下常溫帶時，將達(dá)到過飽和，從而產(chǎn)生地下常溫帶時，將達(dá)到過飽和，從而產(chǎn)生CaCO3沉淀，地沉淀，地下水中的下水中的TDS將小于地表附近的入滲水。將小于地表附近的入滲水。碳酸鹽巖地區(qū)碳酸鹽巖地區(qū)其他因素對地下水的影響其他因素對地下水的影響l含水層中其他礦物的影響含水層中其他礦物的影響不純的灰?guī)r與白云巖含石膏與硬石膏；不純的灰?guī)r與白云巖含石膏與硬石膏；石膏與硬石膏的存在將引起同離子效應(yīng)，使石膏與硬石膏的存在將引

10、起同離子效應(yīng)，使HCO3-含量下降。含量下降。l地下水中其他組分的影響地下水中其他組分的影響埋藏型碳酸鹽巖區(qū)，入滲水經(jīng)過土壤帶與其他上覆地層將增埋藏型碳酸鹽巖區(qū)，入滲水經(jīng)過土壤帶與其他上覆地層將增加地下水中的易溶鹽類，如加地下水中的易溶鹽類，如Cl-、SO42-、Na+；TDS較高時，離子強度的增加會降低較高時，離子強度的增加會降低Ca2+ 、Mg2+ 、HCO3-的活度系數(shù)，增加碳酸鹽礦物的溶解度。的活度系數(shù)，增加碳酸鹽礦物的溶解度。v當(dāng)?shù)叵滤乃疁貫楫?dāng)?shù)叵滤乃疁貫?5，pH為為7.2，HCO3-含量為含量為61mg/L時，試求地下水系統(tǒng)時，試求地下水系統(tǒng)中的中的CO2分壓。注：在分壓。注

11、：在25時，時，pKCO2 = 1.47；pK1 = 6.35。 課堂作業(yè)課堂作業(yè)復(fù)雜沉積巖系統(tǒng)復(fù)雜沉積巖系統(tǒng)地下水化學(xué)成分形成和演變地下水化學(xué)成分形成和演變l復(fù)雜沉積系統(tǒng)復(fù)雜沉積系統(tǒng)巖石地層：如砂巖、灰?guī)r、石膏層的互層巖石地層：如砂巖、灰?guī)r、石膏層的互層松散沉積物地層：如砂礫石層與粘性土層的互層松散沉積物地層：如砂礫石層與粘性土層的互層礦物種類比較齊全礦物種類比較齊全l影響地下水成分的重要因素影響地下水成分的重要因素水與各種巖石的相遇順序水與各種巖石的相遇順序l相遇順序相遇順序(1)假定通過灰?guī)r、石膏、砂巖和頁巖四種巖石（或礦物），假定通過灰?guī)r、石膏、砂巖和頁巖四種巖石（或礦物），第第1種順

12、序：種順序：方解石溶解方解石溶解低低TDS, HCOTDS, HCO3 3-Ca-Ca石膏溶解，同離子效石膏溶解，同離子效應(yīng)，方解石過飽和應(yīng)，方解石過飽和高高TDS, SOTDS, SO4 4HCOHCO3 3-Ca-Ca石英、長石少量溶解，石英、長石少量溶解，成分變化不明顯成分變化不明顯蒙脫石中的蒙脫石中的NaNa被被CaCa交交換，水中換，水中NaNa增加增加 SO SO4 4-Na-Na復(fù)雜沉積巖系統(tǒng)復(fù)雜沉積巖系統(tǒng)地下水化學(xué)成分形成和演變地下水化學(xué)成分形成和演變石英、長石不全等溶解石英、長石不全等溶解低低TDS, HCOTDS, HCO3 3NaNa少量少量由于由于CaCa少，不交換少，

13、不交換成分變化不明顯成分變化不明顯HCOHCO3 3-Ca-Ca方解石溶解方解石溶解石膏溶解，同離子石膏溶解，同離子效應(yīng)，方解石沉淀，效應(yīng)，方解石沉淀，HCOHCO3 3降降 SO SO4 4-Ca-Cal相遇順序相遇順序(2)(2)仍然通過灰?guī)r、石膏、砂巖和頁巖四種巖石仍然通過灰?guī)r、石膏、砂巖和頁巖四種巖石（或礦物）（或礦物），但為，但為第第2 2種順序：種順序：砂巖、頁巖、灰?guī)r、石膏砂巖、頁巖、灰?guī)r、石膏復(fù)雜沉積巖系統(tǒng)復(fù)雜沉積巖系統(tǒng)地下水化學(xué)成分形成和演變地下水化學(xué)成分形成和演變結(jié)晶巖區(qū)結(jié)晶巖區(qū)地下水化學(xué)成分形成和演變地下水化學(xué)成分形成和演變l結(jié)晶巖結(jié)晶巖形成于地殼深部高溫高壓環(huán)境的巖漿巖

14、和變質(zhì)巖，結(jié)形成于地殼深部高溫高壓環(huán)境的巖漿巖和變質(zhì)巖，結(jié)晶程度高，含石英、長石、云母等硅酸鹽礦物；晶程度高，含石英、長石、云母等硅酸鹽礦物；鑒于其形成環(huán)境，結(jié)晶巖在地球淺部熱力學(xué)性質(zhì)不穩(wěn)鑒于其形成環(huán)境，結(jié)晶巖在地球淺部熱力學(xué)性質(zhì)不穩(wěn)定，與水接觸后可發(fā)生水解，形成高嶺石、蒙脫石、定，與水接觸后可發(fā)生水解，形成高嶺石、蒙脫石、伊利石等粘土礦物。伊利石等粘土礦物。l結(jié)晶巖地區(qū)地下水的特點結(jié)晶巖地區(qū)地下水的特點以以HCO3-、Na+為主，其次為為主，其次為Ca2+、Mg2+，SiO2含量較含量較高，高，TDS低；低；沿水流途徑，優(yōu)勢陰離子向沿水流途徑，優(yōu)勢陰離子向SO4、Cl轉(zhuǎn)化不明顯，水化轉(zhuǎn)化不明

15、顯，水化學(xué)類型為學(xué)類型為HCO3-Na。結(jié)晶巖區(qū)結(jié)晶巖區(qū)地下水化學(xué)成分形成和演變地下水化學(xué)成分形成和演變l分析方法分析方法礦物穩(wěn)定場圖法礦物穩(wěn)定場圖法l對于巖漿巖地區(qū)對于巖漿巖地區(qū)絕大部分水點位于高嶺土場區(qū)內(nèi)；絕大部分水點位于高嶺土場區(qū)內(nèi)；少量在蒙脫石區(qū)；少量在蒙脫石區(qū)；在原生鋁硅酸鹽區(qū)、水鋁礦區(qū)、云母區(qū)幾乎沒有水點在原生鋁硅酸鹽區(qū)、水鋁礦區(qū)、云母區(qū)幾乎沒有水點水文地球化學(xué)模擬水文地球化學(xué)模擬l通過礦物穩(wěn)定場圖判斷可能發(fā)生的礦物水解反應(yīng)與反應(yīng)生成通過礦物穩(wěn)定場圖判斷可能發(fā)生的礦物水解反應(yīng)與反應(yīng)生成的粘土礦物；的粘土礦物；l利用實測水化學(xué)資料，結(jié)合礦物穩(wěn)定場圖的判斷結(jié)果，利用利用實測水化學(xué)資料，

16、結(jié)合礦物穩(wěn)定場圖的判斷結(jié)果，利用反向地球化學(xué)模擬來計算反應(yīng)過程中原生礦物的反應(yīng)量。反向地球化學(xué)模擬來計算反應(yīng)過程中原生礦物的反應(yīng)量。l例題：例題：P113-表表3-7礦物穩(wěn)定場圖礦物穩(wěn)定場圖結(jié)晶巖區(qū)結(jié)晶巖區(qū)地下水化學(xué)成分形成和演變地下水化學(xué)成分形成和演變lPHREEQC的應(yīng)用的應(yīng)用課堂案例課堂案例4：硅酸鹽平衡礦物溶解的反向模擬硅酸鹽平衡礦物溶解的反向模擬例題：例題：P113-表表3-7三種滲入成因的地下水三種滲入成因的地下水NaHCO3型水（蘇打水）型水（蘇打水）lNa /Cl 1；(Na -Cl )/SO4 1 Na2SO4型水型水 lNa /Cl 1；(Na-Cl)/SO4 7，一般在，

17、一般在8左右）左右）軟水或極軟水軟水或極軟水礦化度多在礦化度多在0.6 g/L以上以上NaHCO3型水型水蘇打水蘇打水l形成作用與條件形成作用與條件1、陽離子交替吸附作用、陽離子交替吸附作用條件條件l灌溉地段洗鹽灌溉地段洗鹽 ：潛水鹽化使?jié)撍}化使Na+的濃度增大，使土壤中富含吸附的濃度增大，使土壤中富含吸附狀狀Na+ ，而用，而用HCO3-Ca水灌溉時，可出現(xiàn)陽離子交替吸附作用，水灌溉時，可出現(xiàn)陽離子交替吸附作用，形成蘇打水。形成蘇打水。l在濱海平原發(fā)生海退作用后，在海退不久的地方，在濱海平原發(fā)生海退作用后，在海退不久的地方，富含富含Ca2+的陸的陸地水與富含吸附狀地水與富含吸附狀Na的剛形

18、成的海相粘土質(zhì)沉積物進(jìn)行上述陽離的剛形成的海相粘土質(zhì)沉積物進(jìn)行上述陽離子交替吸附作用子交替吸附作用，形成蘇打水。，形成蘇打水。)(2)(2)(2323吸附吸附 CaNaHCONaHCOCaNaHCO3型水型水蘇打水蘇打水l形成作用與條件形成作用與條件2、脫硫酸作用、脫硫酸作用l在封閉還原環(huán)境中，脫硫酸菌參與脫硫酸作用，水中在封閉還原環(huán)境中，脫硫酸菌參與脫硫酸作用，水中SO42-減少乃減少乃至消失，出現(xiàn)至消失，出現(xiàn)H2S，形成蘇打水。，形成蘇打水。條件條件l發(fā)生在湖泊、海洋底部淤泥沉積物中，沼澤及盆地深部承壓含水層發(fā)生在湖泊、海洋底部淤泥沉積物中，沼澤及盆地深部承壓含水層中，尤其是油田水中，在上

19、述情況中，中，尤其是油田水中，在上述情況中，Na+常為主要陽離子；常為主要陽離子；l如果水中不僅主要含有如果水中不僅主要含有Na+，還含有較多的，還含有較多的Ca2+、Mg2+，那么只有，那么只有在在Ca2+、Mg2+以磷酸鹽礦物的形式沉淀后，才會出現(xiàn)蘇打水，即只以磷酸鹽礦物的形式沉淀后，才會出現(xiàn)蘇打水，即只有在這些水相對于磷酸鹽礦物飽和以后，才有可能形成蘇打水。有在這些水相對于磷酸鹽礦物飽和以后，才有可能形成蘇打水。 SHHCOOHSOC23224222有機l形成作用與條件形成作用與條件3、風(fēng)化作用、風(fēng)化作用l原理原理含含Na的鋁硅酸鹽礦物（如斜長石）在含的鋁硅酸鹽礦物（如斜長石）在含CO2

20、的大氣降水的大氣降水作用下發(fā)生水解，水中出現(xiàn)作用下發(fā)生水解，水中出現(xiàn)Na+和和HCO3-上述情況常見于侵入巖的風(fēng)化殼中上述情況常見于侵入巖的風(fēng)化殼中l(wèi)反應(yīng)方程反應(yīng)方程Na0.62Ca0.38Al1.38Si2.62O8 + 1.38CO2 + 4.55H2O = 0.69Al2Si2O5 (OH)4 + 0.62Na+ + 0.38Ca2+ + 1.24H4SiO4 + 1.38HCO3- NaHCO3型水型水蘇打水蘇打水l形成過程形成過程含鈉長石的含鈉長石的侵入巖區(qū)侵入巖區(qū)，與含，與含SO42-、HCO3-的滲入成因地下水，發(fā)的滲入成因地下水，發(fā)生相互作用可形成生相互作用可形成Na2SO4型

21、水。型水。地殼表層處于氧化條件的蘇打水入滲至深部的地殼表層處于氧化條件的蘇打水入滲至深部的硫化礦床及含煤地硫化礦床及含煤地層層（常含有硫化物）中，也可形成（常含有硫化物）中，也可形成Na2SO4型水。其形成是由于型水。其形成是由于與礦體或含煤地層接觸反應(yīng)，硫化物被氧化，產(chǎn)生與礦體或含煤地層接觸反應(yīng)，硫化物被氧化，產(chǎn)生SO42-，使水，使水中中SO42-含量劇增，含量劇增，pH降低，形成降低，形成Na2SO4型水。型水。在含在含芒硝的鹽礦區(qū)芒硝的鹽礦區(qū)可見到可見到Na2SO4型水，這種情況下水中常含有型水，這種情況下水中常含有Cl-，水的，水的TDS可達(dá)可達(dá)40100g/l。Na2SO4型水型水

22、l形成過程形成過程蘇打水與硫酸鎂型水相混合，經(jīng)混合作用形成蘇打水與硫酸鎂型水相混合，經(jīng)混合作用形成MgCO3沉淀與沉淀與Na2SO4型水。型水。蘇打水在流經(jīng)含石膏地層時將沉淀形成更難溶的方解石，以及蘇打水在流經(jīng)含石膏地層時將沉淀形成更難溶的方解石，以及Na2SO4型水。型水。陽離子交替吸附：在石膏區(qū)形成的陽離子交替吸附：在石膏區(qū)形成的SO4-Ca型水如進(jìn)一步通過含型水如進(jìn)一步通過含吸附態(tài)吸附態(tài)Na+的粘性土，經(jīng)陽離子交替過程后形成的粘性土，經(jīng)陽離子交替過程后形成Na2SO4型水。型水。Na2SO4型水型水CaSOCaSO4 4 + 2Na+ 2Na+ + = Na = Na2 2SOSO4 4 + 2Ca+ 2Ca2+2+l概述概述自然界自然界98%的地下水屬鹵的地下水屬鹵水、鹽水和咸水，其水化水、鹽水和咸水，其水化學(xué)類型以學(xué)類型以氯化物型氯化物型為主；為主；自然界也可形成自然界也可形成氯化物型氯化物型的淡水，如四川沙溝村的的淡水，如四川沙溝村的Cl-Na型型水，水，TDS僅僅0.264g/l。NaCl型水型水歐美劃分（據(jù)歐美劃分（據(jù)TDS，mg/L）淡水淡水 0-1000咸水咸水 1000-10000鹽水鹽水 10000-100000鹵水鹵水 100000l形成過程形成過程在侵入巖風(fēng)化殼中經(jīng)常含有一定量的在侵入巖風(fēng)化殼中經(jīng)常含有一定量的C