地球化学和地下水系统

《地球化学和地下水系统》由会员分享，可在线阅读，更多相关《地球化学和地下水系统（15页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、地球化学和地下水系统（一） 发表日期：2005 年 8 月 21 日 美 Pierre D. Glynn 等在 过 去 的 50 年 间 ， 地 球 化 学 对 了 解 地 下 水 系 统 方 面 做 出 了 重 要 的 贡 献 。 水 化 学 相 的 概 念 、 平 衡 理 论 、 对 氧 化 还 原 过 程 的 研 究和 放 射 性 碳 测 定 年 龄 的 方 法 等 方 面 取 得 了 极 大 的 进 步 。 另 一 些 水 文 化 学 的 概 念 、 工 具 和 技 术 也 有 助 于 了 解 地 下 水 系 统 的 流 动 和 运 移机 制 ， 揭 示 一 些 古 环 境 信 息 。

2、 根 据 水 文 化 学 和 同 位 素 技 术 ， 可 以 解 释 地 下 水 补 给 、 地 下 水 流 动 和 化 学 反 应 过 程 ， 提 供 古 水 文 信 息 并对 地 下 水 流 动 模 型 进 行 校 正 。 关 于 获 得 具 有 代 表 性 样 品 、 解 释 获 得 信 息 和 采 用 水 文 化 学 数 据 建 立 和 解 释 数 值 模 型 方 面 需 要 进 行 改 进 。保 证 野 外 资 料 和 分 析 、 解 释 、 应 用 的 最 佳 迭 代 方 法 是 统 计 模 拟 方 法 。 希 望 在 微 生 物 、 天 然 有 机 物 特 征 、 同 位 素 “

3、指 纹 ”识 别 和 溶解 气 体 测 试 、 反 应 动 力 学 和 耦 合 过 程 方 面 进 行 深 入 研 究 。 热 力 学 方 法 有 助 于 比 较 和 了 解 影 响 地 下 水 系 统 的 多 种 物 理 、 化 学 和 生 物 过程 。一 、 概 述过 去 的 50 年 间 ， 随 着 地 球 化 学 方 法 的 进 步 ， 对 地 下 水 系 统 的 水 文 化 学 过 程 了 解 逐 步 加 深 ， 而 且 对 影 响 地 下 水 系 统 流 动 和 化 学特 征 的 构 造 、 地 质 、 矿 物 和 水 文 特 征 的 了 解 也 逐 步 加 深 。 通 过 实 验

4、 室 实 验 和 动 力 学 机 制 研 究 ， 提 供 了 重 要 的 反 应 过 程 信 息 ； 随 着 分析 技 术 的 进 步 ， 测 试 小 体 积 样 品 中 低 浓 度 的 化 学 /同 位 素 物 质 成 为 可 能 ； 另 外 ， 随 着 计 算 机 技 术 的 发 展 ， 可 以 通 过 数 值 模 拟 来 解 释复 杂 的 地 下 水 流 动 /反 应 系 统 。根 据 潜 流 带 的 水 文 地 球 化 学 数 据 和 模 拟 模 型 解 释 地 下 水 地 球 化 学 过 程 的 文 献 很 多 。 地 球 化 学 家 分 析 了 含 水 层 中 的 氧 化 还 原

5、反 应和 局 部 均 衡 的 概 念 ， 化 学 演 化 过 程 是 一 个 或 多 个 不 可 逆 反 应 的 结 果 。 在 系 统 的 演 化 过 程 中 ， 碳 酸 盐 、 硅 酸 盐 、 粘 土 、 硫 化 物 、 离 子交 换 和 有 机 碳 反 应 起 着 重 要 作 用 。 地 下 水 地 球 化 学 方 面 的 专 家 也 指 出 了 重 要 的 环 境 问 题 ， 如 砷 污 染 、 营 养 元 素 和 微 量 元 素 的 转 化 、矿 山 酸 性 排 水 源 和 地 下 的 微 生 物 作 用 等 ， 会 影 响 反 应 速 度 、 氧 化 还 原 过 程 、 淡 水 含

6、 水 层 的 存 贮 和 恢 复 。本 文 主 要 讨 论 了 水 文 化 学 的 主 要 研 究 领 域 ， 如 ： （ 1） 从 地 下 水 系 统 中 获 取 具 有 代 表 性 的 信 息 ； （ 2） 采 用 地 下 水 示 踪 剂 研 究地 下 水 流 动 和 反 应 过 程 ； （ 3） 判 断 地 下 水 的 年 代 ； （ 4） 对 地 球 化 学 过 程 进 行 数 值 模 拟 。地 下 水 地 球 化 学 领 域 涉 及 的 内 容 非 常 广 泛 ， 如 污 染 物 的 水 文 地 质 、 热 力 学 数 据 评 价 、 实 验 和 理 论 反 应 动 力 学 、 吸

7、附 过 程 、 天 然有 机 地 球 化 学 和 微 生 物 作 用 。二 、 水 化 学 相 的 概 念沿 地 下 水 流 动 通 道 的 地 球 化 学 反 应 会 造 成 沿 流 动 方 向 的 区 域 水 化 学 成 分 变 化 。 水 成 分 图 中 的 溶 解 组 分 的 浓 度 等 值 线 沿 地 下 水 流动 方 向 呈 正 态 分 布 。 Back（ 1960,1966） 给 出 了 水 化 学 相 的 定 义 ， 指 出 在 分 析 水 文 地 质 和 矿 物 成 分 相 对 均 匀 的 含 水 层 时 ， 需 要 分 析地 球 化 学 过 程 。需 要 根 据 浓 度 、

8、 惰 性 元 素 或 示 踪 剂 对 进 入 地 下 水 系 统 的 水 源 进 行 分 类 。 惰 性 示 踪 剂 沿 地 下 水 补 给 区 的 浓 度 随 空 间 变 化 有 所 不 同 ，通 过 含 水 层 的 示 踪 剂 流 动 方 向 也 正 是 地 下 水 流 向 ， 此 时 ， 水 文 化 学 相 （ 有 时 也 称 水 文 化 学 区 ） 与 流 向 平 行 。 在 一 般 情 况 下 ， 反 应 物的 浓 度 沿 补 给 区 随 时 间 和 空 间 的 变 化 有 所 不 同 ， 可 能 总 体 上 也 是 沿 地 下 水 流 向 演 化 。 通 过 地 球 化 学 特 征

9、 获 取 地 下 水 流 动 和 水 文 地 质信 息 ， 需 要 了 解 含 水 层 物 质 的 水 相 反 应 ， 以 及 补 给 成 分 的 时 空 分 布 。 地 下 水 系 统 的 许 多 地 球 化 学 模 型 也 与 反 应 物 质 的 不 同 或 水 文 地质 性 质 的 不 同 有 关 。通 过 绘 制 水 文 化 学 相 （ 区 ） 图 可 以 得 到 区 域 含 水 层 的 流 动 模 式 ， 据 此 可 以 确 定 地 下 水 流 动 方 向 。 根 据 水 文 化 学 模 式 和 根 据 电 位计 获 得 的 区 域 流 向 差 异 ， 说 明 了 水 力 条 件 的

10、 差 异 （ 如 补 给 率 ） 。三 、 热 力 学 平 衡（ 一 ） 热 力 学 平 衡 原 理 和 模 型在 上 世 纪 60 年 代 初 ， 地 球 化 学 家 采 用 天 然 地 下 水 中 的 物 种 进 行 了 热 动 力 学 平 衡 的 基 础 研 究 ， 主 要 问 题 是 矿 物 水 平 衡 在 何 种程 度 会 控 制 天 然 地 下 水 的 化 学 成 分 ？ 首 次 将 离 子 模 型 应 用 于 天 然 水 中 ， 之 后 逐 渐 将 这 些 模 型 应 用 于 复 杂 的 多 组 分 系 统 中 ， 包 括 地 下水 系 统 ， 并 建 立 了 一 些 数 值 模

11、 型 ， 包 括 反 应 途 径 模 型 和 WATEQ 物 种 形 成 代 码 模 型 。 另 外 ， 关 于 电 解 液 相 互 作 用 模 型 的 理 论 得 到发 展 ， 并 将 这 一 模 型 应 用 于 天 然 水 和 一 些 含 盐 量 较 高 的 天 然 水 中 。 通 过 热 力 学 数 据 和 对 一 些 反 应 过 程 的 了 解 （ 吸 附 、 固 溶 体 、 非 均相 反 应 动 力 学 、 有 机 反 应 等 ） ， 水 溶 液 与 其 它 固 体 、 气 体 和 液 体 相 互 作 用 的 数 值 模 型 逐 渐 得 到 改 进 。在 温 度 较 低 的 地 下

12、水 环 境 中 应 用 物 种 形 成 模 型 ， 具 有 重 要 的 作 用 。 假 定 在 水 溶 液 中 发 生 反 应 过 程 中 ， 物 质 处 于 同 一 氧 化 状 态（ CO2/HCO3-/CO32-； SO42-/HSO4-） ， 则 可 以 迅 速 达 到 平 衡 ； 相 反 ， 如 果 氧 化 态 不 同 （ 如 SO42-/HS-； HCO3-/CH4； Fe(II)/Fe(III)） ，则 不 易 达 到 平 衡 。 少 数 物 质 ， 通 常 溶 解 性 相 对 较 强 （ 如 方 解 石 、 石 膏 、 岩 盐 和 萤 石 ） ， 在 天 然 系 统 会 发 生

13、可 逆 反 应 ； 其 它 大 多 数 物质 （ 斜 长 石 、 黑 云 母 和 其 它 硅 酸 盐 ） 的 反 应 不 会 达 到 平 衡 ， 但 是 对 天 然 水 化 学 成 分 仍 起 着 重 要 作 用 。 亚 稳 态 物 质 比 其 稳 定 态 多 形 体更 易 达 到 平 衡 ， 如 无 定 型 氢 氧 化 铁 和 赤 铁 矿 。 一 些 硅 酸 盐 的 风 化 产 物 （ 如 高 岭 石 和 三 水 铝 石 ） ， 反 应 可 以 达 到 平 衡 ， 但 是 动 力 学 过程 对 于 复 杂 硅 酸 盐 粘 土 矿 （ 如 蒙 脱 石 ） 的 形 成 非 常 重 要 。 可 以

14、 将 热 力 学 平 衡 定 义 为 液 相 和 固 相 之 间 的 反 应 稳 定 状 态 （ 微 观 可 逆 性 ） 。随 着 观 测 矿 物 表 面 能 力 的 提 高 ， 在 实 验 室 可 以 分 析 界 面 反 应 。早 期 的 研 究 表 明 ， 地 下 水 系 统 是 一 个 部 分 均 衡 的 系 统 ， 也 就 是 说 ， 一 些 可 逆 反 应 会 影 响 另 一 些 可 逆 反 应 （ 如 有 机 碳 氧 化 造 成 硫还 原 和 /或 碳 酸 盐 矿 反 应 ； 沸 石 反 应 会 造 成 脱 白 云 石 化 作 用 ； 硅 酸 盐 溶 解 会 造 成 含 方 解 石

15、 和 硅 土 的 粘 土 形 成 ） 。 这 些 反 应 不 仅 对 了 解地 下 水 系 统 的 地 球 化 学 演 化 过 程 起 着 极 为 重 要 的 作 用 ， 而 且 也 会 影 响 含 水 层 系 统 的 水 文 地 质 特 征 。 对 于 给 定 的 矿 物 相 ， 根 据 物 种 形成 计 算 ， 一 些 天 然 水 可 能 处 于 平 衡 态 或 接 近 平 衡 态 ， 实 际 上 由 于 其 它 可 逆 反 应 的 影 响 ， 矿 物 质 可 能 处 于 溶 解 /沉 淀 过 程 。（ 二 ） 反 应 动 力 学 和 反 应 表 面 积关 于 矿 物 动 力 学 有 许

16、多 工 作 要 做 ， 实 验 室 研 究 结 果 并 不 能 完 全 应 用 于 野 外 环 境 ， 特 别 是 当 矿 物 水 反 应 接 近 平 衡 时 ， 即 使 浓 度极 低 的 溶 解 性 有 机 物 、 痕 量 元 素 和 微 生 物 都 可 以 完 全 改 变 反 应 速 率 。 根 据 野 外 实 验 确 定 水 岩 反 应 速 率 ， 可 以 将 地 下 水 测 年 和 根 据 地球 化 学 物 料 平 衡 确 定 矿 物 转 化 联 系 起 来 。 然 而 ， 由 于 难 以 确 定 含 水 层 的 反 应 表 面 积 ， 因 此 也 难 以 确 定 反 应 速 度 。 通 过 取 可 以 表 征 矿物 特 征 的 样 品 、 或 含 水 层 的 物 质 、 或 石 灰 岩 裂 隙 带 物 质 、 或 河 流 中 的 物 质 ， 以 及 测 量 随 时 间 变 化 的 反 应 收 益 /损 耗 ， 可 以 就 地 确 定反 应 速 度 。 尽 管 在 将 就 地 实 验 结 果 与 观 测 的 野