《水文地球化学基础》ppt课件

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1、水文地球化学基础,万敬敏 2011年2月,Email: wan-,本课程的主要内容,绪论 第一章 水化学基础 第二章 地下水化学成分的组成 第三章 地下水化学成分的形成与特征 第四章 水的地球化学循环 第五章 水文地球化学的应用,水文地球化学基础,本课程的主要内容,绪论 讨论水文地球化学的基本含义、基本观点、研究对象、研究意义。,水文地球化学基础,本课程的主要内容,第一章 水化学基础 从理论上阐述溶解平衡作用、氧化还原作用及界面平衡作用的基本原理，为合理解释地下水化学成分形成和演变提供理论基础，并为其定量化研究提供适用的方法。,水文地球化学基础,本课程的主要内容,第二章 地下水化学成分的组成

2、天然水组成、化学特性及水化学成分 的综合指标 元素的水文地球化学特征 地下水化学成分的数据处理,水文地球化学基础,本课程的主要内容,第三章 地下水化学成分的形成与特征 讨论地下水基本成因类型及各成因地下水化学成分的形成和特征，成因类型包括：渗入成因、沉积成因、火山成因等。,水文地球化学基础,本课程的主要内容,第四章 水的地球化学循环 介绍地下水圈的概念，对地壳中水的地球化学循环和成矿过程中水的地球化学循环进行了初步讨论。,水文地球化学基础,本课程的主要内容,第五章 水文地球化学的应用 简要介绍水文地球化学的基本理论在地下水污染、地下水环境与人体健康、矿泉水等方面的应用。,水文地球化学基础,绪

3、论,绪 论,问题一：水文地球化学的基本含义 问题二：研究水文地球化学问题应明确的 基本观点 问题三：水文地球化学的研究对象 问题四：内生循环与外生循环 问题五：水文地球化学的研究意义,绪论,问题一：水文地球化学的基本含义,“水文地球化学”这一术语，1938年初次见之于文献，随后得到广泛的承认和使用，到二十世纪50年代成为一门独立的学科，但到目前为止尚无统一公认的定义。就目前本学科发展情况而言，其基本含义可以用四句话概括：,问题一：水文地球化学的基本含义,水文地球化学的基本含义可以用下面四句话加以概括： 水文地球化学是水文地质学的一部分； 水文地球化学是在水文地质学及地球化学基础上发展起来的；

4、水文地球化学的主要研究对象是地下水化学成分的形成和演化，以及各种组分在其中的迁移规律。 水文地球化学是探索地球壳层各带地下水地球化学作用的新兴学科。,绪论,水是除空气外人类生存最重要的条件。 水是地球上分布最广泛的物质之一，约71%被水覆盖。海水约占地球总水量的96%97%，其次为冰川固态水。 水是地球上作用能力最强的一种物质，是地壳中最广泛和最活跃的化学元素，水的化学作用从地表一直延伸到上地幔。发生作用的温度和压力范围为0400和110000105Pa。,问题二：研究水文地球化学问题应明确的基本观点,化学家称其为水化学； 地表水学者称其为水化学或海洋化学； 环境学者称其为水环境化学或用水废水

5、化学； 水文地质学者称其为水文地球化学或地下水地球化学。,问题二：研究水文地球化学问题应明确的基本观点,在漫长的地质历史中，地下水在地壳中循环着，并不断与周围介质（大气、地表水、岩石）相互作用着。因此天然地下水化学成分的面貌是地质历史的产物。,问题二：研究水文地球化学问题应明确的基本观点,问题二：研究水文地球化学问题应明确的基本观点,与岩石、矿物一样，地下水也是地质历史的产物，在研究其化学成分的形成时，必须考虑到地下水域（盆地）的地质发展历史和地球化学环境，必要时应对地下水域（盆地）进行古水文地质条件分析； 地下水是一种在地下水流动的水体，不应把各个含水层的地下水看作是孤立的、互不联系的，而应

6、把它看作是运动着的流体矿床。 随着人类历史的发展，人类活动对天然地下水化学成分（特别是浅层地下水的化学成分）的改变也起到重要的作用。,绪论,问题三：水文地球化学的研究对象,水文地球化学是研究水与岩石、气体及有机物间相互作用的科学，是研究这种相互作用性质、演化、内源于外源、地下水圈成分形成，以及地下水圈在地球发展的地质历史中的地球化学的科学。,绪论,问题四：内生循环与外生循环,从地球化学的观点而言，把在地球表部环境的地球化学作用归为外生循环；在地壳下部及地幔中的地球化学作用归为内生循环。,绪论,无论是内生循环还是外生循环都有地下水的参与。实际上，地下水本身是一种地质营力，它对地壳上部的风化、冲刷

7、、淋滤、溶蚀、成岩、成盐、表生成矿和成壤以及对地壳深部的岩浆活动、变质、内生成矿和成岩，都有各种不同的影响。因此，水文地球化学的研究对象不仅是地下水本身，而且还应揭示地下水活动过程中各种水文地球化学作用对各种地质现象的影响和关系。,问题五：水文地球化学的研究意义,地下水的形成和起源是水文地质学的基本理论之一。水文地球化学研究对这个课题的解决应该起到重大的促进作用。 水文地球化学研究实际上是地下水分布和形成规律研究的一部分，是不可分割的。 水文地球化学研究可阐明人类活动对地下水环境的影响。 水文地球化学研究可为矿床的形成机理提供水文地质分析方面的依据，为找矿提供有用的信息。 在与地下热能开发有关

8、的地下热水、饮用与医疗矿泉水及地质环境与人体健康等诸方面，水文地球化学的研究成果也将显示出它的作用，并作出应有的贡献。,绪论,本章总结,水文地球化学的基本含义 研究水文地球化学问题应明确的基本观点 水文地球化学的研究对象 内生循环与外生循环的定义 水文地球化学的研究意义,绪论,第一章 水化学基础,本章主要内容,溶解平衡 碳酸平衡 地下水中络合物的计算 氧化还原作用 吸附作用,第一章 水化学基础,1.1 溶解平衡,水是一种溶解能力很强的溶剂，它与岩石（土）接触时，必定会发生溶解-沉淀反应，这种反应是控制地下水化学成分形成和演变的重要作用，当然，这种水岩作用在某种程度上取决于与水的状态（温度、压力

9、、物态、饱和状态），通过地下水的化学平衡模型来预测。 反应状态的研究可揭示水中溶解组分的来源，并有助于预测地下水开采、人工回灌、环境污染等所引起的水文地球化学效应。,1.1 溶解平衡,在天然地下水系统中，很少达到完全的化学平衡，所以化学平衡模型还不能完全描述水岩作用的各种反应。但在预测水化学成分变化方向、计算反应速率、揭示哪些作用存在及哪些作用控制着水化学成分等方面，常常可以提供一种十分接近地下水系统实际情况的方法，所以，地下水化学平衡模型仍然是一个有用的参考模型。,1.1 溶解平衡,1.1.1 质量作用定律 law of mass action,19世纪由Guldberg和waage提出。

10、质量作用定律的基本含义：一个化学反应的驱动力与反应物及生成物的浓度有关。,1.1.1 质量作用定律,假定反应物A和B反应，产生生成物C和D，其反应式可表示为： 其中a、b、c和d分别为A、B、C、D的摩尔数。 当达到平衡状态时，反应物 与生成物的关系为： 式中K为平衡常数，或称热力学平衡常数，方括号代表活度，或称（热力学）有效浓度。,1.1.1 质量作用定律,对于一个特定的反应来说，在给定的温度和压力条件下，K是一个常数。当温度和压力发生改变，K也会发生变化。 在地下水系统中，水流经过的岩土可能会含有多种矿物。 在平衡研究中，固体及纯液体（如H2O）的活度为1。,1.1.1 质量作用定律,当含

11、有方解石（CaCO3）反应可写成： 当含有萤石（CaF2）时反应可写成：,1.1.1 质量作用定律,地下水与矿物反应时，其反应可能向右进行，产生溶解；也可能向左进行，产生沉淀。 这一反应所需要的时间可能很短，也可能需要相当长的时间。 新反应物加入，生成物迁移，温度、压强改变都可能使平衡被破坏，体系将会向新的平衡发展，所以在地下水径流条件较好的地区，水岩间化学平衡很难建立。 平衡常数K可以通过实验测得，也可以通过热力学方程和相关数据计算获得。,1.1.1 质量作用定律,1.1.2 化学平衡与自由能,化学热力学是研究各种化学过程中伴随发生的能量转换和传递的科学。 化学热力学从宏观方面判断某一体系内

12、化学过程的可能性、进行的方向和达到的极限。 化学平衡规律是化学热力学平衡规律的具体运用。,1.1.2 化学平衡与自由能,体系 状态及状态参数 焓 自由能,1.1.2 化学平衡与自由能,化学热力学的一些基本概念：,体系 把研究对象一个物体或一组相互作用的物体成为体系或系统，而体系（或系统）周围的其它物质称为环境。 热力学体系分为三类：隔离体系或孤立体系；封闭体系；开放体系。,1.1.2 化学平衡与自由能,状态及状态参数 热力学状态分为平衡状态和非平衡状态。热力学体系是由一系列参数来表示的。 当体系没有受外界影响时，各状态参数若能保持长久不变，此体系成为“热力学平衡状态”。实际上这种平衡包括机械平

13、衡、热平衡和化学平衡。 标准状态指温度为298K（25）、压力为一个大气压的状态。,1.1.2 化学平衡与自由能,1.1.2 化学平衡与自由能,机械平衡,平衡状态,热平衡,化学平衡 （组成不变）,温度不变,压强不变,焓 在热力学中，焓或热含是一个状态函数，它是一种化学反应向环境提供的热量总值，以符号“H”表示，H是指一种反应的焓变化。 在标准状态下，最稳定的单质生成1摩尔物质时的焓变化，称为“标准生成焓”，以“Hf”表示。,1.1.2 化学平衡与自由能,例如：水的Hf=-285.8kJ/mol 焓可作为化学反应热效应的指标，化学反应的热效应是指反应前后生成物和反应物标准生成焓的差值，热力学上称

14、其为“反应的标准焓变化”，以Hr表示。,1.1.2 化学平衡与自由能,Hr的计算方法： Hr为正值，属于吸热反应； Hr为负值，属放热反应。,1.1.2 化学平衡与自由能,CaCO3的溶解反应：,1.1.2 化学平衡与自由能,放热,CaCO3的沉淀反应：,1.1.2 化学平衡与自由能,吸热,自由能 自由能也是热力学中的一个状态函数，是根据古典热动力学教授J. W. Gibbs的建议提出来的。 在热力学中，自由能的含义是指一个反应在恒温恒压下所能做的最大有用功，以符号“G”表示。 化学反应中的驱动力一般用自由能变化来代表。,1.1.2 化学平衡与自由能,G指一个反应的自由能变化。 在标准状态下，

15、最稳定的单质生成1mol纯物质时的自由能变化，成为“标准生成自由能”，以“Gf”表示。 与Hf一样，元素和单质的值按热力学的规定为零。 在标准状态下，某一反应自由能变化称为“反应的标准自由能变化”，以“Gr”表示。,1.1.2 化学平衡与自由能,Gr的计算方法： Gr为正值，反应在恒温恒压条件下不能自发进 行，但逆反应可自发进行； Gr为负值，反应在恒温恒压下可以自发进行。 Gr为零，反应处于平衡状态。,1.1.2 化学平衡与自由能,按热力学原理，可推导出自由能变化和平衡常数的关系式： 式中Gr为反应的标准自由能变化，kJ/mol； R为气体常数，等于0.008314kJ/mol； T为绝对温

16、度，K； K为平衡常数。,1.1.2 化学平衡与自由能,化学平衡与自由能,在标准状态下，T=298.15K（T=+273.15）。将R和T代入，并将对数转化为以10为底，则： 由此，只要从文献中能查到反应中所有组分的Gf值，即可算出标准状态下的Gr ，就可算得K。,1.1.2 化学平衡与自由能,白云石的溶解反应：,1.1.2 化学平衡与自由能,当要求25以外某物质的K值，就必须有该温度下的Gf值，但是，尽管标准状态下的Gf值很丰富，而其它温度的Gf值很少。 温度和压力的变化对Gf影响明显，而对Hf影响很小； 在地壳浅部几百米深度内，流体压力变化对平衡常数K影响很小，可忽略不计。,1.1.2 化学平衡与自由能,因此，为了求得不同深度下的K值，可利用标准焓变化与平衡常数K的关系式，即范特霍夫（Vant Hoff）式： 式中：T1为参比温度，一般为298.15K；T2为所求温度；K1和K2分别为参比温度及所求温度的平衡常数； Hr为反应的标准焓变化（kJ/mol）；R