bài giảng địa chất thủy văn

CHƯƠNG V TÍNH CHẤT VẬT LÝ, THÀNH PHẦN HOÁ HỌC, CÁC KHÍ HÒA TAN VÀ VẬT CHẤT HỮU CƠ CỦA NƯỚC DƯỚI ĐẤT Kiến trúc nước • Nước cấu tạo từ 11,11% hidro 88,89% ôxi theo trọng lượng • Nước tạo thành từ O H (H 21O16) • Với đồng vò hydro đồng vò oxi (O 14 – O19) điều kiện tự nhiên tồn 18 kiểu nước với tính chất vật lí khác • Quá trình tạo khả phân lập nước thiên nhiên theo hàm lượng đồng vò hydro bốc • Nước có tính chất dò thường: 1) nóng chảy không kèm theo giãn nở mà co lại; 2) tỉ trọng tăng T o tăng từ  4, lớn 4o sau giảm; 3) có khả hòa tan lớn; 4) có nhiệt độ sôi nóng chảy dò thường; 5) tỉ nhiêt dung, nhiệt ẩn nóng chảy bốc cao; 6) Khi To tăng từ tới 20-30o độ nhớt giảm P T cao, độ nhớt tăng Kiến trúc nước 2) 1) - - - 0, 9A o O + + H + 105o3’ 1,54Ao + H 3) Mô hình phân tử nước Các liên kết kiến trúc nước 1monohidro; 2- đihidro; 3- trihidro Kiến trúc nước Kiến trúc nước • Kiến trúc nước phụ thuộc vào số lượng dạng muối chất bò hòa tan nước • Hiện tượng hidrat hóa ion có mặt nước có tác dụng vận động thuyên chuyển phân tử nước, tác động tới liên kết hidro (âm – tăng vận động  giảm độ bền, dương – giảm vật động thuyên chuyển  tăng độ bền liên kết hidro)  Đặc điểm kiến trúc nước đònh tính chất nước tác dụng qua lại đất đá Nước tự do: • Nước trọng lực; • Nước mao dẫn; • Nước bất động Nước liên kết vật lý: • Nước lớp mặt; • Nước hấp phụ Nước thể Nước trạng thái cứng Các dạng nước đất đá Các dạng nước Trọng lực Tự Mao dẫn Bất động Liên kết vật lý Nước lớp mặt Trạng thái đất theo độ ẩm m nhiều ẩm (toàn phần phần đáng kể Ít ẩm (cục toàn phần) Nơi phân bố dạng nước Các tầng, đới, phức hệ Đới bão hòa mao dẫn Trong đá thấm yếu không thấm Đới thông khí, đới khác đá phân tán mòn vi khe nứt Tính di động nước Dễ di động Di động Di động yếu Ít di động Lực đònh tính di động nước Trọng trường Trọng trường, mao dẫn Trọng trường Hấp thụ bề mặt, ranh giới pha cứng lỏng Các dạng nước đất đá Các dạng nước Liên kết vật lý Thể Ở trạng thái cứng Nước hấp phụ Thông thương tự với KQ Bò giam hãm Phân tán Tinh thể lớn, tập hợp, lớp mỏng… Trạng thái đất theo độ ẩm Như Khô gió (không có) m nhiều (đáng kể) Đóng băng (cục toàn phần) Nơi phân bố dạng nước Như Đới thông khí Đá bất kỳ, lỗ rỗng kín Trong đới lớp hoạt động đới đất đá đóng băng nhiều năm Tính di động nước Khó di động Di động Không di động Thực tế không di động Lực đònh tính di động nước Như Hiệu số đàn tính - - Nhiệt độ Dựa vào nhiệt độ nước chia ra: a Nước lạnh – 4oC b Nước lạnh – 20oC c Nước ấm 20 – 37oC d Nước thân nhiệt 37 – 42oC e Nước nóng 42 – 100oC f Rất nóng > 100oC Độ suốt – Trong suốt – Hơi đục – Đục – Rất đục • Nước đất thường thuộc loại nước suốt • Độ suốt đo máy đo độ đục Màu: Phụ thuộc vào thành phần hoá học có mặt tạp chất • Phần lớn loại nước đất không màu • Nước cứng thường có màu phớt xanh da trời • Các muối ôxuýt sắt hidro sunfua làm cho nước có màu xanh da trời phớt lục • Các hợp chất humic hữu làm cho nước nhuốm màu phớt vàng • Các phần tử khoáng lơ lửng làm cho nước có màu phớt xám Mùi • Nước đất thường mùi Nhưng cảm nhận • VD: Hydro sunfua làm cho nước có mùi trứng thối Nước tù động số giếng gia cố gỗ thường có mùi thiu, ôi khó chòu • Nước đất tầng nông có liên quan với đầm lầy có mùi “đầm lầy” • Nhìn chung mùi nước thường liên quan đến hoạt động vi khuẩn phân hủy có chất hữu VI.4 Thành phần muối- ion tính chất hóa học nước đất  Do ta có A mg ion HCO3- tham gia phản ứng lượng cặn khô lại dạng muối cacbonat • A.CO32-/2HCO3- = A.60/122,2 = 0,492.A mg ion HCO3- xấp xỉ 0,5A mg ion HCO3-  Vì tính lượng cặn khô, ta tìm 0,5 lượng ion HCO3- có nước trước chưng  M hay TDS tiêu quan trọng để phân loại nước đất, độ khoáng hoá thay đổi thành phần hoá học chúng thay đổi theo:  Dựa vào độ tổng khoáng hoá phân loại nước: < 0,2 g/l hay < 0,02 % • Siêu nhạt 0,2 – g/l hay 0,02 -0,1% • Nhạt 1- g/l hay 0,1 – 0,3% • Lợ 3- 10 g/l hay 0,3 - 1% • Hơi mặn 10- 35 g/l hay – 3,5 % • Mặn > 35 g/l hay > 3,5 % • Muối VI.4 Thành phần muối- ion tính chất hóa học nước đất  Kiểu hoá học tính chất nước hợp phần sau đònh: • Cl- ; SO42- ; HCO3- ; Na+ ; Ca2+ ; Mg2+ - Đây nguyên tố  Ngoài có hợp chất nitơ, nguyên tố khác Al, Si, K, Fe Và nhiều nguyên tố vi lượng khác như: Cu, Pb, Zn, As, Br, I  Nguồn gốc ion từ khoáng vật tạo đá thông qua nhiều trình hóa lý nước tiếp xúc với đất đá  Cùng với nguyên tố – nguyên tố vi lượng vào nước  Ngoài ra, nước chứa nhiều loại khí khác hình thành điều kiện môi trường riêng biệt VI.4 Thành phần muối- ion tính chất hóa học nước đất • Sự biến đổi thành phần nước tùy thuộc vào độ khoáng hóa nhiệt độ, độ hòa tan muối clorua, sulfat, cacbonat đònh phần lớn Bảng 20 Nhiệt độ dung dòch (oC) Hàm lượng muối dung dòch, (%) NaCl CaSO4 CaCO3 25 26,44 0,209 0,0014 50 26,99 0,204 0,0015 100 28,15 0,153 0,0015 VI.4 Thành phần muối- ion tính chất hóa học nước đất Hình: Vai trò tương đối anion hình thành thành phần hóa học nước có độ khoáng hóa khác (theo M.G Valiaskô) VI.4 Thành phần muối- ion tính chất hóa học nước đất Hình: Vai trò tương đối kation hình thành thành phần hóa học nước có độ khoáng hóa khác (theo M.G Valiaskô) VI.4 Thành phần muối- ion tính chất hóa học nước đất •      Các khí hòa tan nước: Những vấn đề liên quan tới tương quan khí với NDĐ: Tất đất đá, kênh mao dẫn, khe nứt thạch mực nước ngầm độ sâu có nhiệt độ tới hạn nước nước lấp đầy Khí tự nhiên không chứa hạt khoáng hay lỗ rỗng kín, chúng có NDĐ, tồn cân động: Khí hòa tan nước  khí tự Khí tạo thành tích tụ khí tự hay dòng khí trường hợp lượng khí vượt lượng khí có khả hòa tan nước Hàm lượng khí đơn vò thể tích nước (ml/l, m 3/m3) gọi độ bão hòa khí Tỉ số lưu lượng khí lưu lượng nước – nhân tố khí VI.4 Thành phần muối- ion tính chất hóa học nước đất • Hàm lượng khí >0,1m3 khí m3 nước ảnh hưởng tới động thái hiệu suất giếng • Nếu lực dâng lên khí tăng với chuyển động nước lên miệng giếng tương ứng với giảm áp lực thủy tónh tăng lượng khí tự do, thể tích khí tách là: ( pH − p)α vp = Qb p • Vp- Thể tích khí tự đơn vò thể tích nước áp suất P; pH- p lực bão hòa mà toàn khí nằm dạng hòa tan; p- áp suất điểm nghiên cứu, α- hệ số hòa tan khí VI.4 Thành phần muối- ion tính chất hóa học nước đất  a b c   Kết nghiên cứu thành phần khí nước khoáng cần đặc trưng: Thành phần khí tự tách (% thể tích) Hàm lượng toàn phần khí riêng biệt dung dòch trước bắt đầu tách khí (ml/l nước) 0oC áp suất 760mm) Hàmlượng bao gồm khí tách gần bề mặt khí dung dòch; Hàm lượng toàn phần khí riêng biệt dung dòch trước bắt đầu tách khí, tính % thể tích tổng hàm lượng khí Ngoài ra, hàm lượng toàn phần khí CO2, H2S biểu diễn g/l Cần xác đònh nhân tố khí (lưu lượng khí/lưu lượng nước) tính độ đàn hồi khí VI.4 Thành phần muối- ion tính chất hóa học nước đất Nguồn gốc khí nước khoáng:  Có kiểu nguồn gốc khí tự nhiên sau: ① Khí sinh hóa – tạo thành trình phân hủy VCHC muối khoáng vi khuẩn: CH4, CO2, hydrocacbon nặng, N2, H2S, H2, O2 Khí nguồn gốc khí quyển: N2, O2, Ar khí trơ khác ③ Khí nguồn gốc hóa học: a) khí nguồn gốc biến chất: CO2, H2S, H2, CH4, CO, N2, HCl, HF, NH3, B(OH)3, SO2, HS-, Cl, S …) ② b) khí phản ứng hóa học tự nhiên diễn điều kiện bình thường: CO2 … ④ Khí nguồn gốc phóng xạ: He, Rn, Tn … VI.4 Thành phần muối- ion tính chất hóa học nước đất • A.L Kozlov đưa số quan điểm nguồn gốc khí nước khoáng: Quá trình thành tạo khí đa dạng phổ biến khắp nơi; Không tồn dòng khí, đặc biệt tích tụ khí hình thành trình đó, nguồn gốc tất khí tự nhiên hỗn hợp; Những nhóm nguồn gốc khác phân bố không đồng Ở điều kiện ĐC chủ yếu nhóm khí, điều kiện khác – nhóm khác; Có nhóm phân bố nhau, có khí phân bố diện hạn hẹp; Các khí vài nhóm cho tích tụ lớn, song có nhóm sinh thành ít, nhóm thứ di chuyển vỏ trái đất; Có nhiều trình khác chất song cho hình thành loại khí VI.4 Thành phần muối- ion tính chất hóa học nước đất         Trong khí kiểu biểu sinh chia ra: Khí đại (trên mặt đất); Khí hỗn hợp (và đệ tứ); Khí cổ (khí sâu) Dấu hiệu để phân biệt khí đại với khí cổ tỉ lệ He/Ar Khí đại có He/Ar = 0,250% khí tự He/Ar = 0,075% khí hòa tan Chúng ta xét khí với điều kiện tự nhiên: Khử, ôxi hóa biến chất Các khí nguồn gốc khí nước khoáng: N2, O2, CO2 … Khí sinh hóa: CH4, H2S, hydrocacbon nặng, N2, CO2… Khí nguồn gốc biến chất: chủ yếu CO2 Khí trơ khí phóng xạ thường khí đồng hành VI.4 Thành phần muối- ion tính chất hóa học nước đất  Các chất hữu vi sinh vật NDĐ: Có nhóm: axit humic; bitum, fenon, axit béo, naftenat số thành phần cacbon hữu cơ, nitơ hữu cơ: Mùn: Vật chất màu nâu đen nước lấy từ thổ nhưỡng trầm tích Chúng hợp chất cao phân tử giàu oxi thường chứa nitơ Bitum: chứa đá trầm tích bùn đại, hòa tan dung dòch hữu (cloroform, benzol…) Fenol C6H5OH – chúng đại diện đơn giản hợp chất hữu cơ, chứa nhóm OH Hàm lượng chúng không lớn Sự có mặt chúng dấu hiệu chứa dầu Axit béo HCHC với chuỗi mở, phân tử có gốc COOH Naftenat – CnH2n-2O2 sản phẩm oxi hóa hợp phần dầu Hàm lượng cao – nước bicacbonat natri (nước kiềm), nhiều nước cứng VI.4 Thành phần muối- ion tính chất hóa học nước đất  Xác đònh tổng lượng hữu nước theo giá trò oxi hóa theo tổng lượng cacbon hữu  Độ oxi hóa lượng oxi hóa hay KMnO4 cần thiết để oxi hóa chất hữu Cứ 1mg oxi hay 4mg KMnO4 tương ứng với 21 mg chất hữu  Trong nước nằm nông thường gặp chất hữu nguồn gốc động vật sản phẩm phân hủy thực vật  Các chất hữu nằm nông thường hợp chất humic phức tạp dạng keo, tạo cho nước có màu vàng Nước không hại cho thể người song có mùi khó chòu nên không dùng để uống  Nước đất giàu VCHC dùng nồi  Trong tìm kiếm dầu khí, CHC có ý nghóa lớn Ở rìa mỏ dầu CHC thường dao động khoảng 370 – 826 mg/l VI.4 Thành phần muối- ion tính chất hóa học nước đất Vi sinh vật nước đơn bào đa bào, háo khí yếm khí Sản phẩm phân hủy xác VSV không độc hại, sản phẩm sống VSV thường gây hại cho thể Độ sâu phân bố VSV: ứng với chiều sâu có nhiệt độ khoảng 100oC ~ Ứng với – km Các vi khuẩn tham gia tích cực vào hình thành thành phần hóa học nước: trình khử sulfat, khử nitrat… Một số vi khuẩn gây hại cho người, vi sinh tiêu chuẩn trọng • Hợp chất nitơ gặp nước dạng NH4+, NO2, NO3 NH4+ - thành tạo trình hóa học sinh hóa với tham gia vi khuẩn khử nitrat Trong nước uống cho phép có mặt vết amôn VI.4 Thành phần muối- ion tính chất hóa học nước đất NO2- - phân bố rộng nước mặt nước ngầm song lượng nhỏ oxi hóa NH4+ (có mặt vi khuẩn nitrit), phân hủy hợp chất hữu khử nitrat Lượng NO2- cao chứng tỏ nước có vi khuẩn gây bệnh NO3- - chứng tỏ oxi hóa hoàn toàn VCHC chứa nitơ Chúng không hại đến thể Trong nước uống, lượng NO3- [...]... ion và các tính chất hóa học cơ bản của nước dưới đất  Xác đònh tổng lượng hữu cơ trong nước theo giá trò oxi hóa hoặc theo tổng lượng cacbon hữu cơ  Độ oxi hóa là lượng oxi hóa hay KMnO4 cần thiết để oxi hóa các chất hữu cơ Cứ 1mg oxi hay 4mg KMnO4 tương ứng với 21 mg chất hữu cơ  Trong nước nằm nông thường gặp các chất hữu cơ nguồn gốc động vật và sản phẩm phân hủy thực vật  Các chất hữu cơ nằm... xét khí với điều kiện tự nhiên: Khử, ôxi hóa và biến chất Các khí nguồn gốc khí quyển trong nước khoáng: N2, O2, CO2 … Khí sinh hóa: CH4, H2S, hydrocacbon nặng, N2, CO2… Khí nguồn gốc biến chất: chủ yếu CO2 Khí trơ và khí phóng xạ thường là khí đồng hành VI.4 Thành phần muối- ion và các tính chất hóa học cơ bản của nước dưới đất 3  1 2 3 4 5 Các chất hữu cơ và vi sinh vật trong NDĐ: Có 5 nhóm: axit... Thành phần muối- ion và các tính chất hóa học cơ bản của nước dưới đất Ca(HCO3)2 Khí (H2O)n VCHC VSV ĐỘ KIỀM CaSO4 MgSO4 Ion Phân tử Mg(HCO3)2 CaCl2 ĐỘ CỨNG MgCl2 Na(HCO3) Keo Na2SO4 Hỗn hợp cơ học ĐẤT ĐÁ Sơ đồ nước thiên nhiên (Theo A.M Ovshinicov) ĐỘ MUỐI NaCl Sơ đồ tương quan giữa các loại muối trong nước và các tính chất của nước VI.4 Thành phần muối- ion và các tính chất hóa học cơ bản của nước dưới... 35 g/l hay 1 – 3,5 % • 5 Mặn > 35 g/l hay > 3,5 % • 6 Muối VI.4 Thành phần muối- ion và các tính chất hóa học cơ bản của nước dưới đất  Kiểu hoá học và tính chất cơ bản của nước do các hợp phần sau quyết đònh: • Cl- ; SO42- ; HCO3- ; Na+ ; Ca2+ ; Mg2+ - Đây là các nguyên tố chính  Ngoài ra còn có các hợp chất nitơ, các nguyên tố khác như Al, Si, K, Fe Và nhiều nguyên tố vi lượng khác như: Cu, Pb,...6 Vò • Do sự có mặt của các hợp chất muối khoáng hòa tan, các khí và các tạp chất khác • Khi nước có chứa bicacbonat canxi và magiê và chứa cả khí cacbonic thì vò dễ chòu, phần lớn các chất hữu cơ làm cho nước có vò ngọt • Vò mặn là do nước có sự hòa tan đáng kể clorua natri • Vò đắng là khi có mặt sunfat magiê... một số thành phần như cacbon hữu cơ, nitơ hữu cơ: Mùn: Vật chất màu nâu đen được nước lấy ra từ thổ nhưỡng và trầm tích Chúng là những hợp chất cao phân tử giàu oxi và thường chứa nitơ Bitum: chứa trong đá trầm tích và bùn hiện đại, hòa tan trong dung dòch hữu cơ (cloroform, benzol…) Fenol C6H5OH – chúng là những đại diện đơn giản của hợp chất hữu cơ, chứa nhóm OH Hàm lượng của chúng không lớn Sự có... những độ sâu lớn Cùng với nước môi trường này là các dạng khử của hợp chất (H2S; Fe2+…); Fe ( )  Môi trường oxi hóa thường gặp ở phần trên cùng của vỏ trái đất Trong đới phong hóa thường diễn ra các quá trình oxi hóa Trong nước là các dạng oxi hóa của hợp chất  Trong đới chuyển tiếp – có thể gặp cả dạng oxi hóa và dạng khử của hợp chất với tỉ lệ tương ứng với Eh VI.3 Chỉ số hydro của nước và khái... và các tính chất hóa học cơ bản của nước dưới đất • Sự biến đổi thành phần của nước tùy thuộc vào độ khoáng hóa và nhiệt độ, trong đó độ hòa tan của các muối clorua, sulfat, cacbonat quyết đònh phần lớn Bảng 20 Nhiệt độ dung dòch (oC) Hàm lượng muối trong dung dòch, (%) NaCl CaSO4 CaCO3 25 26,44 0,209 0,0014 50 26,99 0,204 0,0015 100 28,15 0,153 0,0015 VI.4 Thành phần muối- ion và các tính chất hóa học... của nước có độ khoáng hóa khác nhau (theo M.G Valiaskô) VI.4 Thành phần muối- ion và các tính chất hóa học cơ bản của nước dưới đất Hình: Vai trò tương đối của các kation chính trong sự hình thành thành phần hóa học của nước có độ khoáng hóa khác nhau (theo M.G Valiaskô) VI.4 Thành phần muối- ion và các tính chất hóa học cơ bản của nước dưới đất 2 •      Các khí hòa tan trong nước: Những vấn đề... lưu lượng khí và lưu lượng nước – nhân tố khí VI.4 Thành phần muối- ion và các tính chất hóa học cơ bản của nước dưới đất • Hàm lượng khí >0,1m3 khí trong 1 m3 nước sẽ ảnh hưởng tới động thái và hiệu suất giếng • Nếu lực dâng lên của khí tăng cùng với sự chuyển động của nước lên miệng giếng tương ứng với sự giảm áp lực thủy tónh do tăng lượng khí tự do, thể tích khí tách ra là: ( pH − p)α vp = Qb p • ... khuẩn phân hủy có chất hữu 6 Vò • Do có mặt hợp chất muối khoáng hòa tan, khí tạp chất khác • Khi nước có chứa bicacbonat canxi magiê chứa khí cacbonic vò dễ chòu, phần lớn chất hữu làm cho nước... MUỐI NaCl Sơ đồ tương quan loại muối nước tính chất nước VI.4 Thành phần muối- ion tính chất hóa học nước đất Độ khoáng hoá nước:  Là tổng hàm lượng chất khoáng phát phân tích hoá học nước ký hiệu... Thành phần muối- ion tính chất hóa học nước đất  Kiểu hoá học tính chất nước hợp phần sau đònh: • Cl- ; SO42- ; HCO3- ; Na+ ; Ca2+ ; Mg2+ - Đây nguyên tố  Ngoài có hợp chất nitơ, nguyên tố khác