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2095%。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7809%，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003%);土壤中生物化学作用(土壤中每年形成135×1010t二氧化碳);火山岩浆活动地带碳酸盐遇热分解:

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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－，SO2－4，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(SO2－4)

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:

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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SO2－4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124g/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。

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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:

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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259%，钠占283%)，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0001～02mg/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005mg/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03～10mg/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3250mg/L，盐湖卤水可达3780mg/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150～444mg/L;盐湖卤水中硼含量可高达15000mg/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:

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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985%，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

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