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1、1 环境学导论 第五讲 岩石圈与土壤及地下水污染岩石圈与土壤及地下水污染 清华大学环境学院清华大学环境学院 杜鹏飞杜鹏飞 2015 4 32015 4 3 The geosphere and pollution of soils and groundwater 关于岩石土壤圈的几个基本问题 是什么 在哪里 如何构成 有何功能 存在什么问题 如何解决 2 主要内容 1 1 地球圈层结构与地壳岩矿构成 2 2 土壤形成与成分特征 3 3 地下水形成与成分特征 4 4 土壤与地下水环境问题 5 5 环境问题解决途径 32015 4 3 地球的圈层结构与地壳岩矿构成 地球圈层分为地球外圈和地球内圈两大
2、部分 地球外圈可进一步划分为四个基本圈层 即 大气圈 水圈 生物圈和岩石圈 地球内圈可进一步划分为三个基本圈层 即 地幔圈 外核液体圈和固体内核圈 此外 在地球外圈和地球内圈之间还存在一个软流圈 它 是地球外圈与地球内圈之间的一个过渡圈层 位于地面以 下平均深度约150公里处 2015 4 3 地球的圈层结构与地壳岩矿构成 岩石圈 geosphere 主要由地壳和地幔圈中上地幔的顶部组成 从 固体地球表面向下穿过莫霍面 地震波在近33公 里处所显示的第一个不连续面 一直延伸到软 流圈为止 岩石圈厚度不均一 平均厚度约为100公里 整个固体地球的主要表面形态可认为是由大洋 盆地与大陆台地组成 对
3、它们的研究 构成了与 岩石圈构造和地球动力学有直接联系的 全球构 造学 理论 2015 4 3 地球的圈层结构与地壳岩矿构成 2 地球的圈层结构与地壳岩矿构成 7 苏联 2020世纪7070年代初 在科拉半岛超深钻孔深达 1226112261米 为当今世界最深的超深孔的人类大陆科 学第一钻 之后 先后有德国 美国 中国等1313个 国家向地球打了5050个用于科学研究的钻井 德国 大陆超深钻9000m9000m 德国南部的波希米亚 投入资金5 25 2 10108 8马克 有700700多名科学家参加该 项目的各项研究 上世纪8080年代到19941994年1 1月1212日 终孔 庞大的世界
4、最先进的地表与深井长期观测系 统 开展一整套深井地球物理以及流体 地球化学 等项观测与研究 地球的圈层结构与地壳岩矿构成 美国 圣安德列斯断层进行的深部长期观测研究项 目 6200m6200m 19921992年底起持续2020年3 3个阶段的钻井 观测 钻井 观测 最后钻井深入到震源区内进行 长期观测的独特钻孔的科学研究程序 工程项目 21002100 104104美金 观测投资超过工程费用 中国 中国大陆科学钻探第一钻址在苏北东海 5102 18m5102 18m 20012001年6 6月 20052005年1 1月 总投入1 75971 7597 亿 该工程建成了亚洲第一个深部地质作用
5、长期观 测实验基地 8 地球的圈层结构与地壳岩矿构成 土壤圈土壤圈 马特森 S S Matson 1938 Matson 1938 岩 石圈 水圈 生物圈和大气圈在地表或地表 附近相互作用的产物 910 From Jan Mulder 地球的圈层结构与地壳岩矿构成 地壳中的岩石 一定地质作用下形成的物质 的稳定形式 主要以矿物集合体的形式存在 通常由一种以上矿物 或岩屑 组成 岩石 是组成地壳和岩石圈的基本单位 类型复杂 多样 沉积岩沉积岩 岩浆岩岩浆岩 变质岩变质岩 11 地球的圈层结构与地壳岩矿构成 沉积岩沉积岩 沉积作用形成 广 泛分布于陆地表面和海洋盆 地中 占据地表75 75 面积
6、岩 石总体积的5 5 砂岩 泥 岩 碳酸盐岩 岩盐等 岩浆岩 岩浆岩 由岩浆上升冷凝后 结晶而成的岩石 侵入岩和 火山岩 花岗岩 凝灰 岩等 变质岩 变质岩 地壳内早先形成的 岩石 岩浆岩 沉积岩 变 质岩 经历高温高压的变质 作用 固态下矿物组成 化 学成分和结构构造的变化 形成的岩石 片麻岩 板 岩等 12 3 重要矿物类型 13 Mineral GroupsExamplesFormula 硅酸盐类石英 橄榄石 钾长石 SiO2 Mg Fe 2Si4 KAlSi3O8 氧化物类刚玉 磁铁矿 Al2O3 Fe3O4 碳酸盐类方解石 白云石 CaCO3 CaCO3 MgCO3 硫化物类黄铁矿
7、方铅矿 FeS2 PbS 硫酸盐类石膏CaSO4 2H2O 卤化物类岩盐 萤石 NaCl CaF2 天然元素类铜 硫 金刚石 Cu S C 14 地壳主要元素重量的百分比 元素名称 含量百分比 元素名称 含量百分比 氧 O 硅 Si 铝 Al 铁 Fe 钙 Ca 46 95 27 88 8 13 5 17 3 65 钠 Na 钾 K 镁 Mg 钛 Ti 氢 H 2 78 2 58 2 06 0 62 0 14 地壳主要氧化物重量的百分比 元素名称 重量百分比 元素名称 重量百分比 SiO2 Al2O3 FeO Fe2O3 CaO 59 14 15 34 6 88 5 08 Na2O MgO K
8、2O H2O TiO2 3 84 3 49 3 13 1 15 1 05 土壤形成与成分特征 土壤形成作用 陆地表层的基岩经过长期的风 化作用 由物理风化 温度变 化 水流侵蚀摩擦 冰胀等机 械崩解 产生的碎屑和化学风 化 溶解 水化 水解 氧化 等 产生的残余矿物和新生矿 物在原地堆积 形成残积物 残积物上部的细碎屑和粘土等 被生物改造 含较多腐殖质 成为土壤 15 碎屑层 土壤 残积层 腐殖层 淋溶层 淀积层 粘土层 基岩 半风化基岩 土壤学家和农学家传统的把土壤 定义为发育于地球陆地表面能生 长绿色植物的疏松多孔结构表层 由风化矿物和分解有机物等各类 碎片混合物形成的剖面 覆于地 球表层
9、 并含有适当数量的水和 空气 能够维持植物生长的自然 体 能够生长植物 具有生态环境调 控功能 处于永恒变化中的矿物 质与有机质的疏松混合物 简单 的说 土壤就是地球表明能够生 长植物的疏松表层 引自 土壤 学 16 土壤形成与成分特征 壤 柔土也 无块曰壤 壤 的生产性能比 土 要 好 肥力高 因为它的性质既不坚硬板结 也不过于轻松 疏散 适于各种作物的生长 壤 是怎么形成的 壤 是 以人所耕而树艺 人们用土 改土 精耕细作 土 就熟化而成为 壤 17 象地之上 地之中 表示 土 的上下两个层次 植物一部 分 地上部分 在 土 的上面 一部分在 土 的里面 把植物生 长与 土 之关系形象话起
10、来 物出形也 这指出植物 是从 土 里生长出来的 而且它 的形态 基本上是直立向上发展的 意思 18 4 19 Functions of soil in ecosystems 土壤形成与成分特征 表生生态环境维持带 植物生长介质 水分输送 温 度调控与营养供给 活跃带 水循环与净化系统 参与水循环 影响地下水和河湖 水体的水文响应关系 以及水质改变 净化作用 营养组分与有机废物循环系统 作为天然的生物反应 器 参与生态系统至关重要的营养组分循环 碳汇 温室效应 和氮与其他营养组分储存与输移 物化 生 物综合作用带 土壤生物栖息地 大多世界遗传多样性生物的发源地 初级生产者 大型植物 根际共生
11、菌根和微生物 异养生物 土壤动物 细菌 20 土壤形成与成分特征 北京中山公园内保留着明代 所建的社稷坛 最上层15 815 8 米见方 铺垫着五种颜色的 土壤 东方为青色 南方为 红色 西方为白色 北方为 黑色 中央为黄色 它大体上符合我国土壤分布 概况 东方多水稻土呈青色 南方多红壤 紫色土呈红 色 西北干旱土 盐碱土呈 白色 东北黑土呈黑色 中 原腹地为黄土高原雏型土呈 黄色 21 土壤形成与成分特征 22 盐渍土区 黄棕壤 Yellow brown earth 黄壤 Yellow earth 硅铝土区 碳酸盐土区 红壤 Red earth 富铝土区 土壤形成与成分特征 土壤是由固体 液
12、体和气 体三类物质组成 固体物质包括土壤矿物质 砂粒 土粒和胶粒 有机 质和生命物质等 液体物质主要指土壤水分 气体是存在于土壤孔隙中的 空气 23 土壤形成与成分特征 地面至基岩的土壤垂向 剖面 基于物理 化学特性进 行分层 土壤有机质 新鲜有机物 动植物残体 半分解有机 物 腐殖质 土壤胶体 硅 铝 铁等氧 化物 无机组分 N P K等营养物 质 金属氧化物 金属组分 等 24 Soil horizons 5 土壤形成与成分特征 25 地下水形成与成分特征 26 地下水形成与成分特征 2728 地下水占我国水资源总量的1 3 占总供水量的近40 饮用水供水的70 农田灌溉水的40 工业用水
13、的38 这种用水结构短期内不会改变 地下水形成与成分特征 29 地下水形成与成分特征 30 6 31 地下水形成与成分特征 32 地下水形成与成分特征 33 地下水形成与成分特征 岩石的水理性质 容水性 容纳一定水量的能力 容水度 WnWn VnVn V V 100 100 持水性 保持一定水量的能力 持水度 WwWw VrVr V V 100 100 给水性 岩石饱水后在重力作用下能自由排出一定水量 的性能 给水度 Vg VVg V 100 100 透水性 岩石允许水流通过的能力 渗透系数 K K 34 地下水形成与成分特征 35 结合持水度 最大分子持水度 与颗粒直径的关系 地下水形成与成
14、分特征 36 7 地下水形成与成分特征 地下水定义 广义概念 赋存于地面以下岩石空隙中的水 狭义概念 赋存于饱水带岩石空隙中的水 37 地下水形成与成分特征 38 地下水形成与成分特征 地下水的特征 储存隐蔽 系统复杂 流速缓慢 恢复期长 平均 0 0010 001 10 m d10 m d 较低运动速度 1010 4 4 1010 5 5 m d m d 与地表水具有不可分割的联系 39 地下水形成与成分特征 40 地下水形成与成分特征 41 水圈各组成部分的更新周期 各种水估计量 km3 更新周期 海洋1 35 1092500a 大气1 3 1048d 陆 地 水 河流170016d 湖泊
15、1 0 10517a 内海1 05 105 土壤7 0 1041a 地下水8 2 1061400a 冰川冰帽2 75 1071600 9700a 生物水1100h 8 4344 全国63006300万人饮用高氟水 200200万人饮用高砷水 还有1 11 1亿人饮用高含量TDSTDS的地下水 4546 土壤与地下水环境问题 47 土壤与地下水环境问题 48 9 土壤与地下水环境问题 49 土壤与地下水环境问题 地下水污染物质类型 按按化学性质分 无机污染物 放射性物质 235U 235U 239Pu 239Pu 238U238U 230Th 230Th 微量金属元素 PbPb CuCu HgH
16、g CrCr Ni Ni 类金属 As As 营养物质 NONO3 3 NHNH4 4 其它无机物 CaCa NaNa MgMg SOSO4 4 HCOHCO3 3 CNCN TDSTDS F F 有机污染物 石油烃类及其衍生物 卤代脂 肪族 卤代芳香族 农药 多氯联苯 细菌 病毒 50 土壤与地下水环境问题 51 土壤与地下水环境问题 52 土壤与地下水环境问题 53 土壤与地下水环境问题 54 10 环境问题解决途径 法律法规体系的建立与完善 美国政府制定一项列的法律法规和规章制度 规范企业和工程行为 降低土壤和地下水污染的 风险 制定安全饮水法案 资源保护与恢复法案 环境响应 赔偿 责任法案 英国制定一系列防止场地和水资源污染的法律 法规 如水资源法 19911991 水工业法 19911991 和环境保护法 19901990 以及建立跨部门咨询机 构 ICRCLICRCL 55 环境问题解决途径 控制技术与项目支持 美国环保局 USEPAUSEPA 农业部 USDAUSDA 能源 部 DOEDOE 国防部 DODDOD 以及DOD DOE EPADOD DOE EPA 启动环境
