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5_地下水的化学成分
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5_地下水的化学成分
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你可能喜欢第六章 地下水的概况
地下水的概况
自然界中的水以气态、液态、固态三种形式存在于大气圈（大气水）、地表水圈（地表水）及岩石圈（地下水）中。地球上的总水量约为1.4×1018
立方米，存在的比例为：大气水：地表水：地下水=1:100,000:10。
所谓地下水，就是埋藏在地壳上部岩层即岩石圈中的谁。地下水存在于土壤及岩石的孔隙、裂隙或溶洞之中。
大气水、地表水、地下水是地球上矛盾统一的自然水体。这三种水的关系极为密切，在自然界中不断地循环着。由于太阳的热辐射作用，地表水和地下水蒸发为水蒸汽上升到大气圈中。水蒸汽在空气中遇冷凝结成液态的雨或固态的雪、冰雹等降落到海洋或陆地上。随后，在重力的作用下，它们一部分渗入岩石的孔隙、裂隙和溶洞成为地下水；一部分流入江、河、湖泊成为地表水，最后通过地表和地下径流汇集到海洋中。这样往返不断周而复始地循环，构成地球水体的总循环（图7）。
正是由于水在地球上这样循环不止，所以地下水可以不断地得到降雨和地表水的补给。
水在岩石中存在的形式是多种多样的，有液态的，有气态的，也有固态的。液态水又包括：在重力作用下自由流动的重力水，在分子引力作用下吸附在岩土颗粒表面的吸着水和薄膜水（它们不受重力影响，不传递静水压力），以及毛细管水（同时受重力和毛细管力的作用，可传递静水压力，并可被植物吸收）。人们通常说的地下水，就是指可在岩石中流动的重力水，这种水和一般的地表水没有什么根本的区别。
根据地下水的埋藏条件不同，一般可分为潜水和层间水两类。
潜水是埋藏在地表下第一个隔水层以上的具有自由表面的重力水。它的自由表面就叫做潜水面，如以高程表示则称为潜水位。自地表至潜水面间的垂直距离叫做潜水的埋藏深度。潜水的埋藏深度和富水性，受地形、地质构造、水文地质条件及气候条件等影响而变化。埋深一般为几米至百余米。有些平原地区潜水出露地表形成沼泽。山区基岩裂隙发育，裂隙潜水常沿谷坡泄出地表，形成下降泉。
根据含水层的性质及特征，潜水可分为孔隙潜水、裂隙潜水和岩溶潜水三种。孔隙潜水主要埋藏于第四纪的松散沉积物中，多见于山间盆地、河谷平原、山前洪积冲积扇及滨海平原等地。裂隙潜水存在于基层的裂隙中。在岩溶发育的石灰岩、白云岩等可溶岩地区，由于水的强烈的溶滤溶蚀作用，多有溶洞、落水洞、地下暗河等，形成岩溶潜水（亦称喀斯特潜水）。目前在地震预报工作中，对潜水位的变化和潜水化学成分的变化，都进行过长期观测并收到一定的效果。
层间水是指埋藏在两个隔水层之间的地下水。如果两个隔水层之间的含水层并未被地下水充满，也就是说那里的水具有自由水面的话，这种水称无压层间水；如果地下水充满了两个隔水层之间的含水层，这种层间水具有承压性，叫做承压水；如果承压水水头高出地面，钻井后水能自动流出地面的，这种地下水称自流水。
自流水与外界气温、气压、降水等没有直接联系，因而其流量、水位、水温、水化学成分等，在一般情况下比较稳定，能够真实地反映地下岩层的情况，选用这样的观测孔测报地震是比较理想的。
在有自流水的地区中，自流水的含水层往往不止一个。当有若干个含水层时，每层都有各自的承压水位、各自的补给区和排泄区，以及独特的水文地质循环系统。若遇有活动的断裂穿过时，就会使自流水沿断裂带上升溢出，形成上升泉。在深大断裂带的附近，往往还会沿断裂带出露热矿水或冷矿水。上述矿水或自流水都来自地下较深处，平时受外界干扰小，水量、水温、水化学成分变化不大，能真实地反映地下深部受力状况，因此可作为地下水预报地震的理想观测点。
地下水不是化学中所指的纯水，地下水在其形成和运移的过程中，由于和大气、土壤及各类岩石不断接触，夹杂和溶解了不少固体悬浮物、气体、微生物（包括细菌）以及各类离子、分子等。因此，地下水是一种化学成分很复杂的溶液，这就决定了其物理性质也常有不同的表现。反之，地下水物理性质的变化也不会不影响到它的化学成分。
地下水的物理性质
地下水的主要物理性质包括温度、颜色、透明度、嗅味、比重、导电性和放射性等。
1.温度：埋藏深度不同，地下水的温度变化规律也不同。因此测量地下水的温度，可以了解它的来源。近地表的地下水，其温度受气候影响比较明显，水温有周期性昼夜变化和季节变化的规律。再向下，地下水温度随深度增加而逐渐升高，但受昼夜影响却不明显了。地下水的温度对其化学成分有很大影响，这是因为水分子的运动速度，水的化学反应的速度，以及各种物质在水中的溶解度等都与温度有密切的关系。就目前已知的一些大震来看，震前水温往往有变化，尤以温泉水温变化更为明显。
2.颜色：大部分地下水是无色透明的。地下水硬度大时可呈浅兰色；水中含有铁的氢氧化物时，可出现褐色絮状沉淀；含氧化铁（Fe2O3）的水呈浅红褐色；含氧化亚铁（FeO）的水呈浅兰色；含硫化氢的谁，由于有硫磺胶体生成，常呈翠绿色；沼泽地带含腐植质的地下水，则呈浅褐色等。
3.气味（嗅和味道）：常见的水一般无嗅无味的，如果含有杂质就可能有气味。例如，含硫化氢（H2S）的水有“臭蛋味”；含氯化钠（NaCI）的水带有咸味；含腐植质的水有霉味（腐草味）；含氯化镁（MgCI2）和硫酸镁（MgSO4）的水有苦味；含氧化亚铁的水有“墨水味”等。
4．透明度：纯水是透明的，一般天然水按其透明度的好坏可分透明的、半透明的、微透明的和不透明的四种。这和其中溶解盐类，混杂悬浮物、有机质和胶体的多少及性质有关。
5.比重：地下水的比重决定于所溶盐类的含量。水中溶解的盐类越多，其比重就越大。
6．放射性：由于地下水中常含有放射性气体（氡等）及其它放射性元素，所以具有极微弱的放射性；埋藏在放射性矿床附近的地下水可以具有较强的放射性。
地下水的化学成分
水是良好的溶剂。由于与岩石、士壤、气体相互作用，地壳中循环着的地下冰能溶解各种盐类，含有多种元素的离子，目前发现的已有62种。其中较常见而又含量较多的离子有氯离子(CI-1)、硫酸根离子(SO4-2)、碳酸氢根离子（HCO3-1）、钾离子(K+1)、钙离子(Ca+2)、镁离子（Mg+2）等几种。此外，还常含有二氧化碳(CO2)、氧(O2)、氮(N2)、甲烷（CH4）、硫化氢(H2S)以及少量惰性气体（如氡）等。
氡(Rn)是一种惰性气体，是放射性元素铀( U)和镭(Ra)衰变的产物。氡具有由压力大的地方向压力小的地方转移的性质。此外，它的迁移还决定于射气作用、溶解作用和扩散作用，而与地下水的化学组分无关。地下水温度增高能引起急剧的脱气作用，使氡在水中的溶解度降低。在浅层地下水中，氡含量的变化与气温、气压有一定的关系，而在深层地下水中这种影响很小。
地下水中的氡有哪些特点呢？
1．氡来自地下，能真实地反映地下的变化情况；
2．氡是惰性气体，不参与任何化学作用，因此容易测得它的真实含量；
3．氡的运动服从气体分压定律，因此氡含量的变化能比较灵敏地反映地下受力的情况；
4.& 氡含量与温度变化的关系密切，地下热异常可导致氡从地下水中脱出，引起地下水中氡含量的异常变化；
5．在某些情况下，地下岩层受力，可能使含水层形变，加速地下水的运动，增强扩散作用，引起氡含量的增加。
由于氡气具有上述特点，故用于地震预报时，一般效果较好，但也存在一些问题。特别是浅层地下水易受气象和人为因素干扰，使氡的预报效果受到一定的影响。
在地震测报工作中，除了测氡外，还可以测定地下水中溶解气体的总量、二氧化碳及氧气含量等。此外，由于水溶解气体的活动，常常使井水出现冒泡、翻花、打旋、水变浑等现象。这些现象可能与地下受力状况有关，不少群众测报点利用它们测报过某些地震。震前井水的苦甜变化，也往往是地震的一种征兆，这可能由于溶解在地下水中的化学组分发生变化所引起。
总之，通过对地下水的物理性质、化学组分以及所溶气体组分的观测，可以探讨地震前应力场和地球化学环境的某些变化以及两者之间的联系。这方面的工作，目前尚在探索之中。分析自补给区到排泄区水力梯度有何变化?为什么会出现这些变化
．示踪剂选用红墨水演示流线；3．直尺(50cm)和计算器等；四、实验步骤；1．熟悉地下水演示仪的结构及功能；2．地表径流的演示；打开降雨开关,人为调节降雨强度；(1)降雨强度与地表径流的关系；(2)地形与地表径流的关系；3．观测有入渗条件的潜水面形状；如图4-2所示,潜水含水层中,等势线上各点的水头；(1)中等强度降雨,保持两河同等低水位排水,待水；(2)　2．示踪剂 选用红墨水演示流线.3．直尺(50cm)和计算器等.四、实验步骤1． 熟悉地下水演示仪的结构及功能.2． 地表径流的演示.打开降雨开关,人为调节降雨强度.保持两河较低水位排水.认真观察地表径流产生情况.分析讨论：(1)降雨强度与地表径流的关系.(2)地形与地表径流的关系.3．观测有入渗条件的潜水面形状如图4-2所示,潜水含水层中,等势线上各点的水头都相等,即B、C、D各点测压水位分别与潜水面上M、N、O各点的测压水位相等.由此可以按以下具体步骤确定潜水面形状.(1)中等强度降雨,保持两河同等低水位排水,待水位稳定后测定井水位和河水位,并按比例表示在A剖面图上（见附图一）.(2)在河与分水岭之间选择3~5个测压点,注入示踪剂,观察流线特征,分析流网分布规律,在A剖面图上画出流线和等势线.(3)选择3~5个测压点与测压管连接(注意连接时不要进气),测定测压水位,按比例表示在A剖面图上.自各测压点测压水位顶点作水平线交各测压点所在的等势线(各交点均在潜水位线上).结合井水位和河水位以及各平行线与等势线的交点,在A剖 8面图上描绘潜水位线.
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