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1、31东华理工学院应用水文地球化学 第一章 水文地球化学基础2004第一篇基 础 篇第一章水文地球化学基础第一节 应用水文地球化学的某些基本概念虽然我们已对水文地球化学有一定的了解，但是为了更好地转入应用水文地球化学，对水文地球化学中的某些基本概念进行复习和深化了解是很有必要的。水岩作用(WRI)水岩作用是一种学术观点，它主张将地壳看成是一个水岩体系，许多地质和水文地质现象都与天然水和岩石之间的相互作用有关。应用水岩作用的观点来研究地学中的问题能更科学、更有效地解决问题。水文地球化学与单纯的水化学不同。水文地球化学中的水是指与地球有关的水，凡是天然水体，它总是与地球物质发生着关系。地下水总是赋存
2、于地质体内，或者说，地质体、岩石内总是多少包含有一定的水分。因此，水文地球化学将水和岩石看成一个互相联系的体系，称它为水岩体系。水文地球化学作用除了水溶液作用以外，更主要的是水与岩石之间的作用。既然在地球表面上和地球内部水是那样普遍，因此在研究地学时我们应该将水和岩石联系起来看问题。许多人认为，地学、地球化学中的问题，特别是低温地球化学（温度小于200）问题，在大多数情况下都是发生在水岩体系中的水岩作用(water-rock interaction)问题。凡是孤立地单一从水或岩石来研究地球化学问题是不全面的，因而也是不科学的。世界上许多科学家都持有与此相同的观点，因此于1974年在前苏联水文地
3、质学家的倡议下，志同道合的科学家汇聚在捷克的布拉格，举行了第一届国际水岩作用学术大会。此后在国际地球化学宇宙化学协会下设了水岩作用委员会，在它的组织下，每三年举行一次学术活动。第二次，于1977年在法国的斯特拉斯堡；第三次，于1980年于加拿大的埃特蒙顿；第四次，于1983年在日本的鸟取县三朝町；第五次，于1986年在冰岛的雷克雅维克；第六次，于1989年在英国的毛尔芬；第七次，于1992年在美国的花园城；第八次，于1995年在俄罗斯的海参威；第九次于1998年在新西兰的TAUPO举行；第十次于2001年在意大利举行。第十一次，2004年于巴西举行；第十二届，2007年于中国昆明举行。会议研究
4、地球化学作用的机理以及它们在人类活动各领域中的应用，涉及范围非常广泛。如第六届水岩作用学术会议上讨论的议题如下：水热矿床，溶质迁移和阻滞，地球化学模式，卤水成因，风化与侵蚀，化学动力学，固液界面作用，地壳流体，洋壳流体和空气与水的相互作用等。水岩体系实际上是水岩气三相体系。气体在地壳中分布较普遍，而且在地球化学作用或环境变化中非常活跃，因此是研究水岩作用中的一个重要因素。水岩体系中除了气体活跃因素以外还有另一个地球化学活跃因素，它们是有机质和微生物。岩石中的有机物质也有固液气三相。在研究水岩作用时，不要忘了气体和有机物质（包括微生物）这两个重要的因素。近来，水岩作用的学术思想有向人-水-岩作用
5、（或人为水岩作用）的方向发展的趋势。人类的发展、现代科学的发展已使人类活动对地球产生的影响越来越大，以至几乎任何地方的地壳浅部无不受人类活动的影响的。人为活动经常向水岩体系中加入人为的液体和固体，或改变原有的水、岩的性质和空间位置，从而发生人为的水岩作用，也可称为人水岩作用。为了更好地研究水岩作用，首先简要地回顾一些与水文地球化学有关的概念和化学作用。二、天然水的化学成分及其表达式天然水并不是单纯的氢氧化合物，而是一种含有各种成分的水溶液，其化学成分可分三大类：无机成分，有机成分，气体成分。无机成分按其含量（以1毫克/升为界）又可分有大量（常量）组分，微量组分两种 李学礼，水文地球化学，原子能
6、出版社，1988；或分为主要成分（大于1毫克/升），次要成分（0. 110毫克/升），和痕量组分（小于0.1毫克/升）三种。主要成分是Na+ ,Mg2+ ,Ca2+ ,Cl- ,HCO3- ,SO42- ，硅酸。次要成分有K+ ,F- P, B, Fe,硝酸根，碳酸根等 R.A.弗里泽，地下水，地震出版社，1987。天然水中溶解有机成分比无机少，但它在天然水中确实普遍存在。它们主要是富里酸和有机酸。天然水中最丰富的溶解气体是氮，氧，二氧化碳、甲烷，硫化氢和一氧化二氮。其它较重要的气体有氡，氦，氩，氪等。它们可提供水的来源和年龄等重要信息。水化学成分的表达式是用其主要成分的相对含量（毫克当量%）
7、，矿化度(克/升，表示在化学成分的前面）和pH值（表在化学成分的后面）来表示；矿化度和pH值也可用分子分母来表示在化学成分的前面，后面可用来表示某些特定的元素含量（克/升）。三、矿化度M、总固溶物TDS和电导率水中化学组分含量的总和称为总矿化度，一般用M表示。溶解于水中的固相物质的总量称为总固溶物，可用TDS来表示，它等于干固残渣的重量。这两者的含义很接近，它俩之间的差别是前者比后者大，其差值为HCO3含量的一半。因为在水蒸干过程中，重碳酸根含量的一半将转化为CO2气体而逸出。天然水按矿化度或总固溶物的分类见下表。表1.1.1 天然水按矿化度的分类分 类矿 化 度 （g/L)淡 水0.0001
8、.000微 咸 水1.0003.000咸 水3.00010.000盐 水10.000100.000卤 水100.000由于主要成分和许多少量成分都是以离子形式存在，因此可将天然水看作为电解溶液。所以，可利用水的电导性来表示其总矿化度。水的电导性用电导率（）来表示，它是一个立方体水中，一平方厘米面积上水的导电性。它是电阻的倒数（1/），其单位是“西门子”（S）或“微西门子”（S）。天然水的电导率的变化范围，从雨水的几十微西门子到沉积盆地深处卤水的上十万微西门子。四、溶解有机碳（DOC）和溶解无机碳（DIC）天然水中的碳有两种：水中有机碳（DOC）和水中无机碳（DIC）。天然水中的有机成分种类很多
9、，成分复杂，其中富里酸和有机酸在水文地球化学作用中较为重要。人们用溶解的有机碳总量来表示水中有机成分的多少。虽然对天然水中有机物质的了解还很不够，但测定总有机碳已是对天然水调查工作的一个普通部分。天然水中总有机碳含量用DOC表示。DOC的含量一般为0.110毫克/升，有些地区可高达每升几十毫克。水中无机碳（DIC）主要来自大气、地层中的碳酸盐和有机物质的降解和矿化作用，它们的主要存在形式是碳酸的衍生物。所以总无机碳是用碳酸总量来表示。DIC =（H2CO3）+（HCO3）+（CO32）五、水化学成分的浓度单位1. 质量摩尔浓度（molality)一千克溶剂中溶质的物质的量，旧名为重量克分子浓度
10、。其单位符号为摩尔/千克（mol/kg)。此单位在应用中最为精确，在质量计算过程中不会发生问题。2. 物质的量的浓度（molar）每升溶液中溶质的物质的量，也叫物质的量的浓度，旧名容量克分子浓度。采用摩尔/升（mol/L）的符号，它是水化学中经常使用的浓度单位。在低矿化度水中用这种单位可满足计算的一般要求，但对高矿化度水进行质量计算时，就会出现较大的误差。如海水中1 mol/L的钠只相当于0.97 mol/kg的钠，因为一公升海水的质量不是一公斤，而是1.035千克。3. 质量浓度在天然水研究中使用得最普遍的质量浓度单位是mg/L。以上三种单位皆是国际单位制单位（单位制）。以下是水文地球化学研
11、究中还经常出现的一些非国际单位制单位。4.当量浓度及其单位当量浓度(eql）是每升溶液中溶质的克当量数（N），其单位符号为eq/L。克当量数等于克分子量(M)数乘以溶质的价态(Z)。5.百万分率（ppm)每百万克溶液中溶质的克数。ppm = 溶质的克数/106克溶液。对于非咸水来说，1ppm = 1mg/L，但是对咸卤水来说，1ppm 1mg/L。六、放射性物质的活度和放射性剂量单位长寿命放射性元素（如铀）的半衰期很长，并可化学提纯，因此可用以上质量浓度单位度量。短寿命放射性元素，由于它们的半衰期较短，不易化学提纯，所以不能用普通的质量单位来表示。但是它们都有放射性，可以用放射性活度来表示其数
12、量 石玉春、吴燕玉，放射性物探，原子能出版社，1986。在工农业生产和环境质量评价中，除了考虑放射性活度外，还需要知道放射性物质对生物和人类的影响程度和危害程度，因而导出照射剂量、吸收剂量和剂量当量概念及其相应的剂量单位。1. 放射性活度（Bq）所谓放射性活度是一定数量的放射性核素在一个很短的时间间隔内发生的核衰变数除以该时间的间隔。放射性活度的国际标准单位制是贝克（勒尔），用符号Bq表示。每秒钟衰变一次的放射性活度称为1贝克。一些常见的，但是被废除的非SI单位有居里（Ci)，埃曼()，马赫(Me).1 = 3.74Bq;1Me = 3.64 = 13.47Bq;1居里定义为每秒衰变3.710
13、10 次，1Ci = 3.71010 Bq。2.放射性剂量环境评价时需要考虑放射性照射对生态的影响，因此常用放射性剂量单位。2.1.照射量（X）单位（库仑/千克，C/kg）照射剂量是表示辐照强度的指标。放射性射线照射物质时，能使其原子电离产生离子对。这将改变生物的生态。射线越强，照射产生的离子对越多，因而可以用电离强度来作为照射剂量的单位。电离强度的国际标准单位是单位物质所产生的静电电量，用库仑/千克（C/kg)来表示。过去曾用非SI制的伦琴（R）作为照射剂量单位。1伦琴是在0和标准气压条件下，射线通过0.001293克（1立方厘米）空气时，产生1个静电单位的离子对的照射剂量。1R = 2.5
14、810-4 C/kg2.2吸收剂量（D）单位（戈瑞 Gy）不同生物在同一种射线、相同剂量的照射下，产生的离子对数不同，所以吸收的能量不同，因而产生的生物效应不一样。生物效应与其所吸收的照射能量有关。为了表示物质中某一点吸收的射线能量多少，导出了吸收剂量的概念。吸收剂量是射线照射特定质量单位的物质时，该特定质量物质所吸收的能量。当1公斤物质吸收的能量为1焦耳时，称之为1戈瑞。1Gy = 1J/kg.。过去曾用的非SI制单位是拉德（rad）, 1 rad = 10-2 J/kg = 10-2 Gy2.3.剂量当量（H）单位（希沃特 Sv）剂量当量（H）是放射性环境质量评价的主要指标。一定吸收剂量产
15、生的生物效应，不但取决于射线的能量大小和照射条件，而且也与射线的种类有关。例如，在相同的吸收剂量下，射线对生物有机体产生的危害比射线大10倍。这个倍数叫线质系数。为了使各种射线对生物有机体的危害程度有一个统一衡量标准，采用了对不同射线的修正因子。这种修正后的吸收剂量叫剂量当量，用“H”表示。H = DQN式中，D吸收剂量； Q线质系数，射线的系数为10，和射线为1； N修正因子，和射线都为1。剂量当量的国际标准单位为希沃特，用Sv表示。过去曾用非SI制单位雷姆（Rem）表示。1Rem = 10-2Sv七、活度（性）（a）、活度系数（g）和离子力（I）溶液中溶质的热动力有效浓度称为活度（性）。因此它相当于实际上参加化学反应的那部分浓度。活度（a)与重量克分子浓度(m）的关系为：ai = mi gi式中，g活度系数。由上式可知，活度系数是浓度换算为有效浓度的校正系数。活度系数没有量纲。式中的 i 代表某物质（物种）。活度系数与溶液的离子力、离子价态、离子半径和温度等因素有关，离子力是溶液中所有离子的摩尔浓度与其价态平方之总和之半，它表示溶液中离子
