ĐỊa lí thủy văn đại cương - Chương 2: Các tính chất vật lý và thành phần hóa học của nước dưới đất

Nội dung text: ĐỊa lí thủy văn đại cương - Chương 2: Các tính chất vật lý và thành phần hóa học của nước dưới đất

1. CHƯƠNG 2 CÁC TÍNH CHẤT VẬT LÝ VÀ THÀNH PHẦN HÓA HỌC CỦA NƯỚC DƯỚI ĐẤT
2. I- CÁC TÍNH CHẤT VẬT LÝ : Trong địa chất thủy văn, người ta chú ý đến các tính chất vật lý sau đây của nước dưới đất : nhiệt độ, độ trong suốt, màu, mùi, vị. - Nhiệt độ - Độ trong suốt - Màu - Mùi - Vị
3. Nhiệt độ • Nhiệt độ có thể hiểu là đại lượng dùng để thể hiện mức độ nóng hay lạnh của một vật thể hay một môi trường nào đó. • Đơn vị của nhiệt độ thường dùng là Centigrade (0C), Fahrenheit (0F) hay độ Kelvin (K). • Tùy theo điều kiện tàng trữ, nước dưới đất có nhiệt độ khác nhau, dao động từ dưới 00C đến trên 1000C. Như ta biết, càng xuống sâu nhiệt độ càng tăng : cứ 33m tăng một độ, nếu sâu 1km thì nhiệt độ khoảng 400C – 500C. Do vậy, nước ngầm (tầng nước trên cùng) thường có nhiệt độ bằng nhiệt độ trung bình của không khí.
4. MỘT SỐ THIẾT BỊ ĐO NHIỆT ĐỘ
5. Theo nhiệt độ, người ta phân ra : - Nước lạnh có nhiệt độ t0 370C • Nước ngon và mát có nhiệt độ 70 – 110C. • Nước có giá trị chữa bệnh nhất là nước có nhiệt độ cao hơn 200C, đặc biệt là nước có nhiệt độ gắn với nhiệt độ cơ thể con người (35 – 370C).
6. Nhiệt độ của nước có ảnh hưởng khá lớn đến thành phần hóa học của nó. Thông thường, độ hòa tan của các muối Natri và Kali tăng lên khi nhiệt độ tăng, còn các muối canxi (sunfát) giảm xuống khi nhiệt độ tăng. Vì thế nước lạnh thường là nước canxi, còn nước nóng là nước Natri.
7. Ngòai ra, trong các đại dương, nhiệt độ giảm theo độ sâu. Ngược lại, trong nước dưới đất lại có nhiệt độ tăng theo độ sâu. Sự thay đổi của nhiệt độ theo độ sâu của nước biển
8. Thành phần khí cũng liên quan đến nhiệt độ, dưới áp suất và nhiệt độ của không khí không thay đổi, khi nhiệt độ của nước tăng lên, thì độ hòa tan của khí giảm xuống. Theo các số liệu ghi nhận được thì khi nhiệt độ tăng từ 00C lên 1000C, độ hòa tan của mỗi chất khí giảm đi 4 lần.
9. Độ trong suốt Đại bộ phận nước dưới đất là trong suốt. Nước đục là nước có chứa các chất không tan, các chất keo nguồn gốc vô cơ và hữu cơ (bùn axit silisic, hidrôxyt sắt và nhôm). Nước đục không có hại nhưng uống không ngon.
10. Màu Màu của nước là do thành phần hóa học hay các tạp chất gây nên. Chất mùn thối ở các đầm lầy làm cho nước có màu vàng. Bicacbônat kiềm và kiểm thổ (đặc biệt là Ca) làm cho nước có màu xanh lá cây. Thường nước có các màu đặc trưng sau : - Không màu, - Xanh lá cây nhạt, - Vàng nhạt, - Nâu,
11. Mùi Mùi của nước thường liên quan tới sự hoạt động của vi khuẩn, phân hủy các vật chất hữu cơ. Sự khác nhau về hình dạng chủng lọai của các vi khuẩn ấy có thể gây cho nước nhiều mùi khác nhau như : mùi mốc, mùi đất, mùi chuột, mùi cá và mùi thuốc uống. Ngoài ra, mùi của nước còn chứng tỏ có nhiều khí có nguồn gốc sinh hóa (H2S có mùi trứng thối). Nước có thể có các mùi sau : - Không mùi, - Mùi trứng thối,vị ngọt - Mùi đầm lầy, - Mùi bùn, - Mùi thối,
12. II. THÀNH PHẦN HÓA HỌC CỦA NƯỚC DƯỚI ĐẤT Trong thành phần hóa học của nước dưới đất có đến hơn 60 nguyên tố trong bảng tuần hoàn Men-đê- lê-ép. Các nguyên tố này chứa trong nước dưới các dạng : + 2+, 2+ 2+ - - 2- -Ion: Na , Ca Mg , Fe , Cl , HCO3 , SO4 , - Phân tử : O2, CO 2, H2S , CH 4, N 2, - Keo : H2SiO3, Fe(OH)3, Ngoài ra trong nước còn có các chất hữu cơ (humin, bitum, axit béo, phê-nôn, ).
13. Các chất chứa trong nước thiên nhiên được chia làm 2 nhóm chính : đại nguyên tố và vi nguyên tố Trong nhóm đại nguyên tố gồm các nguyên tố có một số lượng chủ yếu quyết định độ - 2- khoáng hóa của nước như : Cl , HCO3 , SO4 , - + 2+ 2+ NO3 , Na , Ca , Fe và H2SiO3. Trong nhóm vi nguyên tố gồm các nguyên tố còn lại và các chất keo.
14. b) Nguồn gốc của một vài nguyên tố có trong nước. ion Cl- : Thường trong nước dưới đất ion Cl- có dưới dạng hợp chất NaCl và có nguồn gốc khác nhau : - Do hòa tan NaCl trong các đá - Quá trình hỗn hợp với nước trầm tích - Do nhiễm bẩn bởi các tàn tích động thực vật. Cl- có nguồn gốc sau cùng có hại đến cơ thể con người. 2- Ion SO4 Ion này có những nguồn gốc sau đây : - Do quá trình rửa lũa đất đá (như thạch cao, ). - Do quá trình oxy hóa một vài hợp chất lưu huỳnh (pyrit). - Do nhiễm bẩn bởi các tàn tích động thực vật. 2- FeS2 + 7O + 8H2O = FeSO4 . 7 H2O + 2H+ + SO4
15. Các hợp chất Nitơ • Các hợp chất nitơ có trong nước dưới đất dưới các - - + dạng NO2 , NO3 và NH4 . Nếu nguồn gốc của chúng là vô cơ thì chúng không có hại, nhưng nếu nguồn gốc là hữu cơ thì chúng là dấu hiệu của sự nhiễm bẩn, và có khả năng có mặt các vi khuẩn gây bệnh. - • Trong các giếng đào thường có nhiều NO2 , - + NO3 , NH4 , vì nước ngầm không có lớp cách thủy phía trên để ngăn nước bẩn từ trên mặt đất chảy (thấm) xuống.
16. • Nitrit ion NO2- có một lượng không nhiều trong nước bề mặt và nước ngầm. Sự có mặt nitrit với số lượng lớn thường kèm theo vi khuẩn gây bệnh (dịch tả, thương hàn, ). • Nitrat ion NO3- : Sự có mặt NO3- chứng tỏ sự ôxy hóa hoàn toàn các chất hữu cơ chứa nitơ. Bản thân NO3- không có hại đến sức khỏe, nhưng sự có mặt của nó thường kèm theo NO2- và NH4+. • Amomôni NH4+ được tạo thành trong các quá trình hóa học và sinh vật. Nước có chứa NH4+ có hại đến sức khỏe con người.
17. Sắt (Fe) Các hợp chất của sắt có trong nước thường ở dưới các dạng Fe++ và Fe+++. Hợp chất Fe++ không bền vững, nếu có oxy chúng chuyển thành hợp chất Fe 3+ 4Fe (HCO3)2 + O2 + 2H2O = 4Fe (OH)3 + 8CO2 Hydrôxit sắt có trong nước thường ở dưới dạng keo. Hợp chất sắt làm cho nước có vị khó chịu.
18. Các hợp chất C Ởû dưới 3 dạng : - Khí cacbônic CO2 tự do hòa tan trong nước. - - Bicacbônat HCO3 2- - Cacbônat CO3 Hai dạng sau thường là sản phẩm rửa lũa các đá cacbônat (đá vôi, đôlômit).
19. Sunfua hydrô (H2S) Sunfua hydrô H2S ở trạng thái hòa tan trong nước. Nguồn gốc của nó là do sự phân huỷ vật chất hữu cơ trong môi trường khử. H2S gặp trong nước ngầm, nước tự lưu và các nguồn nước khoáng.
20. Các hợp chất hữu cơ. Có trong nước dưới các dạng các chất hu-min, bi-tum, phê-nôn và axit béo. Các chất humin là những chất màu nâu sẫm, thuộc loại cao phân tử, giàu oxy và thường chứa chất nitơ, lưu huỳnh. Các axit humin là dạng thấp của các chất humin, có trong than bùn và đất trồng (thổ nhưỡng). Thành phần trung bình của các axit humin như sau : • C : 55 – 65%, H : 3,5 – 5,5%, O + N + S : 30 – 40%.
21. Bitum cĩ trong các đá khác nhau và trong bùn hiện đại,hịa tan trong dung mơi hữu cơ, bitum là hỗn hợp của cacbua hydrơ, như dầu hỏa, nhựa đường. Phênôn là những đại biểu đơn giản nhất của các hợp chất hữu cơ có chứa nhóm hydroxin OH- . Công thức của nó là C6H5OH. Hàm lượng phê-nôn trong nước không nhiều. • Sự xuất hiện của phê-nôn được xem như là một trong những dấu hiệu của khả năng chứa dầu.
22. Axit béo Axit béo là những hợp chất hữu cơ mạch hở; trong phân tử của nó có chứa nhóm COOH. Axit béo được tạo thành trong quá trình thủy phân mỡ. Trong đó, cùng với axit béo có xuất hiện gli-xê-rin dễ hòa tan trong nước. Gli-xê-rin là môi trường sinh sống của vi khuẩn. Axít béo rất bền vững và có khả năng tích tụ trong những điều kiện yếm khí.
23. c) Tổng lượng khoáng hóa Tổng lượng các chất hòa tan trong nước gọi là tổng lượng khoáng hóa, thường được biểu thị bằng g/l (đôi khi bằng g/kg đối với nước muối). Tổng lượng khoáng hóa có thể dùng làm chỉ tiêu để phân loại nước rất tốt Tổng lượng khoáng hóa của nước ngọt thường không quá 1 g/l, nước uống không nên quá 0,5 g/l. Nước biển phần nhiều là khoảng 35 g/l.
24. Phân loại nước theo tổng lượng khoáng hóa. Tổng lượng Đặc tính Thành phần hóa học khoáng hóa (mg/l) < 200 Siêu nhạt Thường là bicacbonat 200 – 500 Nhạt 500 – 1.000 Độ khoáng hơi cao Bicacbônat – Sunfat 1.000 – 3.000 Hơi mặn 3.000 – 10.000 Mặn 10.000 – 35.000 Độ mặn cao Sunfat – Clorua 35.00 – 50.000 Chuyển thành nước muối Chủ yếu là Clorua 50.000 – 400.000 Nước muối Clorua
25. H + OH −  10−7 .10−7 = H 2O 55.51 d) Độ pH Nứơc luôn luôn phân ly theo phương trình : + - H2O H + OH • Nhưng mức độ phân ly của nước vô cùng nhỏ bé : trong 1 lít nước (1.000 : 18,016 = 55,51 phân tử gam), chỉ có 10–7 phân tử gam bị phân ly (ở nhiệt độ t0 = 250C). • Theo định luật tác dụng khối lượng vaØ do phần nước không phân ly rất lớn so với phần nước đã bị phân ly, nên [H2O] coi như không đổi. Do đó, ta có : + –7 14 • KH2O = [H ] [OH–] = 10 = 10 • Nếu đặt pH = – lg [H+] và pOH = – lg [OH-] thì khi lấy lôgarit tích số trên, ta được : • pH + pOH = 14, vậy pH = pOH = 7 • Khi đó nước có phản ứng trung tính. Nhưng, như ta biết, nước trong thiên nhiên là một dung dịch chứa nhiều chất hòa tan khác nhau, do đó sự phân ly của nước có thể tăng lên hoặc giảm đi, có nghĩa là nồng độ H+ có thể có nhiều hơn hoặc ít hơn so với [OH-]. •
26. Nếu pH 7 nước có phản ứng kiềm. Như vậy, độ pH dao động từ 1 tới 14, đặc biệt chất điện phân làm tăng [H+] (giảm pH), là khí CO2. + – CO2 + H2O → H2CO3 → H + HCO3 + Nếu nước bảo hòa khí CO2 thì [H ] có thể tăng lên 300 lần. Các axit humin cũng làm tăng [H+]. - Nồng độ [OH ] tăng lên do Na2CO3: - - Na2CO3 + H2O 2Na+ + HCO3 + OH . Độ pH có ảnh hưởng rất lớn đến hàm lượng các chất hòa tan trong nước. - 2- Khi pH 10 thì chủ yếu là CO3 (pH = 8,4 bắt đầu có CO3 ) Một ví dụ khác : Khi pH 8 ngòai H2SiO3 còn có HSiO3. Các nguyên tố Fe và Al dễ bị nước axit kéo ra khỏi đất đá, đặc biệt là nước chứa nhiều CO2 (nước đầm lầy, nước axit của các mỏ quặng). Al2O3 kết tủa ở pH = 4,1 – 6,2.
27. • Độ pH cũng quyết định sự hình thành các khoáng vật có nguồn gốc ngoại sinh. • Fe tạo nên các khoáng vật khác nhau trong những môi trường khác nhau. • Trong moi trương axit mạnh – limonit (Fe2O3 . nH2O) • Trong moi trương axit yếu – Pyrit (FeS2) • Trong moi trương trung tính – Sidêrit ( FeCO3) • Trong moi trương kiềm – glaucônit • KL1 (Fe 3+ , Fe 2+ , Al, Mg)2-3 [Si3 (Si, Al) O10] [OH]2 . nH2O • Sự tạo thành cao-lanh chỉ xảy ra trong môi trường axit (pH = 1 – 7).
28. e) Tính chất ăn mòn của nước Tính chất này thể hiện rõ khi trong nước có chứa nhiều khí cacbônic tự do. Sự ăn mòn (hòa tan) canxit (CaCO3) trong nước chứa CO2 tự do diễn ra theo phương trình sau : 2+ – CaCO3 + CO2 + H2O Ca + 2 HCO3 . Đây là một phương trình thuận nghịch và phản ứng không đi đến cùng, nghĩa là sau khi phản ứng, một phần hàm lượng CO2 trong dung dịch vẫn còn ở trạng thái tự do. Mỗi một lượng nhất định CO2 tự do sẽ tương ứng với một hàm lượng nhất định HCO3 trong nước ở trạng thái cân bằng với CaCO3. Lượng CO2 tự do ứng với trạng thái cân bằng, gọi là cacbônic cân bằng. Nếu hàm lượng CO2 tự do trong nước lớn hơn so với lượng cần thiết để cân bằng thì khi CaCO3 tiếp xúc với loại nước như thế, nó sẽ bị hòa tan. Phần CO2 mất đi để hòa tan CaCO3 gọi là cacbônic ăn mòn. Cacbônic ăn mòn có tác dụng phá hoại đối với bê tông và nhiều loại xi măng, và hòa tan một số đá (nhất là đá vôi).
29. f) Độ cứng của nước : • Độ cứng của nước gây ra do các muối hoà tan của Canxi và Magnê. • Cần phân biệt 3 loại độ cứng dưới đây: • a-Tổng độ cứng • Gây ra do sự có mặt của tất cả các muối Canxi và Magnê. • Ca(HCO3)2 , Mg(HCO3)2 , MgCO 3 • CaSO4 , MgSO 4 , • CaCl 2 , MgCl 2 • b-Độ cứng tạm thời • Gây ra do sự hiện diện của các muốiCarbonate Canxi và Magnê • Ca(HCO3)2 và Mg(HCO3)2 • Khi đun nóng nước, chúng biến thành CO3 và CaCO3 lắng đọng. c-Độ cứng vĩnh viễn • Gây ra do sự có mặt của các muối Canxi và Magnê còn lại • CaCl2 , MgCl2 , CaSO4 , MgSO4 , MgCO3
30. Độ cứng được biểu thị khác nhau ở những quốc gia khác nhau. • Ở Nga biểu thị bằng mg-đương lượng của Ca 2+ và Mg 2+ trong 1 lít nước. Một mg-đương lượng ứng với hàm lượng 20,04mg/l Ca 2+ hay 12,16 mg 2+. • Ở các nước khác thì dùng những đơn vị sau đây để đo độ cứng: • 0Đức tương ứng với 10 mg/l CaO 0 • Pháp 10 mg/l CaCO3 0 • Mỹ 1mg/l CaCO3 0 • Anh 14 mg/l CaCO3 • Người ta thường dùng mg-dl và 0Đức để biểu thị độ cứng • 1 mg-dl = 2,804 0Đức
31. 2- Biểu diễn kết quả phân tích thành phần hoá học của nước dưới đất. • a- Biểu diễn bằng số • b- Biểu diễn bằng công thức • c- Biểu diễn bằng hình vẽ:
32. a/ Biểu diễn bằng số • Người ta dùng một trong ba dạng dưới đây để biểu diễn các kết quả phân tích: • -Khối lượng các chất hoà tan trong một lít nước. Do lượng của các chất thường bé nên đơn vị được chọn là g/l, mg/l hoặc µg/lít (1µg/lít = 0,001mg/lít). Đối với nước có độ khoáng hoá cao, đôi khi người ta còn dùng đơn vị là g/kg , mg/kg. • - Gram dương lượng hoặc mg đương lượng ( viết tắt là g-dl/l hay mg-dl/l). • - Phần trăm đương lượng (%dl).
33. b- Biểu diễn bằng công thức • Công thức Cuốc-lốp • Công thức thành phần muối
34. c- Biểu diễn bằng hình vẽ: -Đồ thị hình chữ nhật
35. c- Biểu diễn bằng hình vẽ:
36. 3-Phân loại nước theo thành phần hoá học Các bảng phân loại nước dưới đất theo thành phần hoá học đều căn cứ + 2+ 2+ - 2- - vào hàm lượng của 6 ion Na , Ca , Mg , Cl , SO 4 , HCO3 .
37. b- Theo Alôkin (1946) • Nước thiên nhiên được chia ra làm 3 lớp, dựa vào hàm lượng (mg-đl/lít) của cation, mỗi loại lại chia thành các loại dựa theo quan hệ về hàm lượng giữa các cation và anion như sau 2+ 2+ • Nhóm I HCO3- > Ca + Mg 2+ 2+ - 2- • Nhóm II HCO3- < Ca + Mg < HCO3 + SO4 2- 2+ 2+ • Nhóm III HCO3- + SO4 < Ca + Mg - • Nhóm IV HCO3 = 0 • Nhóm I, liên quan đến đá macma • Nhóm II, đặc trưng cho nước ngầm, nước sông, nước hồ. • Nhóm III, đặc trưng cho nước đại dương, biển • Nhóm IV là nước axit.
38. III- CÁC QUÁ TRÌNH THÀNH TẠO VÀ BIẾN ĐỔI THÀNH PHẦN HOÁ HỌC CỦA NƯỚC DƯỚI ĐẤT.
39. 1-Các quá trình thành tạo thành phần hoá học của nước dưới đất • Thành phần hoá học của nước dưới đất là kết quả của sự tổng hợp của nhiều quá trình khác nhau. • Các quá trình chủ yếu quyết định thành phần hoá học của nước dưới đất là: • - Rửa lũa, hoà tan • - Chèn ép nước cổ (Nước trầm tích) • - Sự chuyển từ trạng thái liên kết thành trạng thái tự do • Căn cứ vào các quá trình ấy, ta có thể chia nước dưới đất thành 3 loại chủ yếu • - Nước rửa lũa • - Nước trầm tích • - Nước tái sinh.
40. 2- Các quá trình làm thay đổi thành phần hoá học của nước dưới đất Các quá trình làm thay đổi thành phần hoá học của nước dưới đất gồm có: -Sự hỗn hợp các nước có nguồn gốc khác nhau -Sự lắng đọng muối do bốc hơi và hạ thấp nhiệt độ -Sự trao đổi cation với đá vây quanh -Sự bảo hoà khí CO2. -Các quá trình vi sinh vật -Các quá trình oxy hoá - Các quá trình khử