气体成分

气体在地下水中以自由状态和溶解状态存在，它们之间的比例关系变化取决于温度和压力。地下水中溶解气体主要包括MX6 O2，N2，CO2，H2S，CH4，H2，碳氢化合物及少量惰性气体，其中以前5种为主。按照气体来源可以分为空气来源气体，包括O2，N2，CO2，Ne，Ar等;生物化学来源气体(微生物分解有机质和矿物质而形成)，包括CH4，CO2，N2，H2S，H2，O2等;化学来源气体(水-岩相互作用形成)，包括CO2，H2S，H2，CH4，CO，N2，HCl，HF，SO2，Cl2，NH3等;放射性和核反应来源，包括He，Rn等。

在通常情况下地下水中气体成分含量不高，每升只有几毫克到几十毫克。但是，地下水中气体成分的水化学意义却十分重要。首先，对地下水中气体成分的研究，有助于对地下水起源和成因的判别和解释。其次，水中的气体成分决定着含水层水化学环境的性质，对于变价元素的氧化还原反应、存在形式、迁移性能、沉淀富集等具有重要意义。最后，某些气体成分决定着地下水具有一定的特殊性能。例如医疗矿(泉)水中的碳酸水和硫化氢水的医疗保健功效就是由于CO2和H2S在水中的含量较高而决定的，而导致钙华沉积的原因之一则是溶解在水中的CO2气体英思科MX4 从水中逸出等。

4.1.3.1 氧气

溶解于水中的氧气称为溶解氧(DissolveDOxygen，缩写为DO)。氧在水中有比较大的溶解度，其溶解量与水中溶解组分含量、埋藏深度、温度、大气压力和氧的分压等因素有关。地下水中氧的来源主要是大气，因此近地表的地下水中含氧量较大，越往深处含氧量越少。地下水中溶解氧含量越高，说明地下水所处的地球化学环境愈有利于氧化作用进行，水中Fe，Mn，Cu，S等变价元素均处于高度氧化状态(Fe3+，Mn4+，Cu2+，S6+等)。随着地下水的深循环，各种氧化还原反应会逐渐将水中溶解氧消耗殆尽，从而形成还原环境。地下水中的溶解氧在很大程度上决定着水的氧化还原电位，而氧化还原电位值是影响风化壳中元素迁移的重要因素之一。

4.1.3.2氮气

地下水中的氮气主要来源于大气。由于O2的化学性质远较N2活泼，在较封闭的环境中，O2将耗尽而只留下N2。因此，N2的单独存在，通常可以说明地下水起源于大气并处于还原环境。但在封闭的地质构造中，N2还可以由微生物反硝化作用(也称脱氮作用，是指反硝化细菌在缺氧条件下，还原硝酸盐，释放出分子态氮N2或一氧化二氮N2O的过程)将NO－3，NO－2转化而形成并进入地下水中。N2含量高的地下水常见于盆地内含石油、天然气的高温高压地下水中，以及构造裂隙活化带的地下热水中。

4.1.3.3 二氧化碳

地下水中的CO2来源比较复杂，作为地下水补给来源的大气降水和地表水虽然也含有CO2，但其含量通常较低。地下水中的CO2主要来源于土壤，有机质残骸的发酵作用与植物的呼吸作用使土壤中源源不断产生CO2，并溶入流经土壤的地下水中。此外，含碳酸盐类的岩石在深部高温下也可以变质生成CO2。

溶解于水中的CO2称为游离CO2。当水中含有一定数量的HCO－3时，就必定有一定数量的溶解于水的CO2与之相平衡，这部分与HCO－3平衡的CO2称为平衡CO2。如果水中游离CO2的含量高于平衡时的含量，则当这种水与CaCO3固体接触时，碳酸钙便被溶解，直到新的平衡建立为止。这部分与碳酸钙起反应的游离CO2称为侵蚀性CO2。侵蚀性CO2对混凝土和金属均有破坏作用，特别是侵蚀性CO2和氧共存时，对铁管的侵蚀更为强烈。

CO2含量大于等于250mg/L的地下水称为碳酸矿泉水。饮用碳酸矿泉水能增进食欲，改善肠道消化功能，通便利尿。碳酸水浴对消除疲劳、改善体质、增进健康有很好的作用，此外对于高血压、某些冠心病及外伤溃疡、妇科感染也很有效。比较著名的碳酸矿泉水如前苏联外高加索的纳尔赞矿泉含CO2气体1926mg/L，江西崇仁马鞍坪温泉含CO2气体715mg/L，内蒙古阿尔山矿泉含CO2气体2190mg/L。

4.1.3.4 硫化氢

在一般的地下水中，很少发现显著含量的H2S，但在一些矿泉水中，H2S含量较高。天然水中的H2S既可以来自有机物，也可以来自无机物。H2S是蛋白质分解的产物之一，因此，在地表水体底层各种有机体腐败过程中经常见到它，遭受有机污染的浅层地下水中有时也会检测到H2S。此外，缺氧条件下去硫菌的去硫作用可以使硫酸盐还原成H2S，例如一些油田水中H2S的浓度可以达到2000mg/L。大量的H美国英思科MX62S也可以从火山喷发气体中析出。在部分温泉的泉口处可以闻到H2S味。

地下水中H2S的存在常常指示一种比较强的还原环境，许多变价金属元素在此环境中以低价硫化物形式存在，难溶于水，不随水迁移。例如三价铁被还原形成黑色的胶体状硫化亚铁沉淀物。

H2S含量大于等于1mg/L的天然地下水，称为硫化氢矿泉水气体。这种矿泉水的主要有效成分是游离的H2S气体美国华瑞PGM-7320VOC，用这种水进行水浴可以治疗外伤溃疡、皮肤病，如果水温较高还可以起到镇静神经、降低血压、改善血液循环的作用。

4.1.3.5 甲烷

CH4由有机质分解产生，并通过各种生物化学作用聚积在地下水中。在正常温度压力下，CH4的溶解度很小，因此只有在地壳深部高温高压的条件下，CH4才能大量溶解于地下水中。通常在封闭构造的含石油、天然气盆地中的地下水中，CH4含量很高。据四川盆地中部女基井资料，埋藏在4000m以下的地下卤水中，95%以上的气体是CH4。CH4是强还原环境的标志，CH4含量高的天然地下水多处于承压水盆地水交替十分困难地带的含有机质的沉积岩还原环境中。在遭受严重有机污染的浅层地下水中，微生物对有机污染物的厌氧降解，也可能导致产生CH4溶解于地下水的现象(李学礼，1988)。