水文地球化学复习.doc

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1、第一章 绪论水文地球化学是研究地下水化学组成的形成、分布、迁移和富集规律 及其在生产实际中应用的一门科学。1.水文地球化学的主要研究内容： （1）研究水与地壳岩石、气体和有机物质相互作用。（2）研究地下水中化学元素及其同位素的分布、分配、集中、分散及迁移循环的形式、规律和历史。（3）研究地下水化学成分及其形成作用与途径，探索地下水在地壳层中所起的地球化学作用。（4） 研究因地下水活动而形成的各种产物（固、液、气体）和地下水对地质作用的影响。2、 水文地球化学研究意义：（1）水文地球化学研究可以解决地下水的形成和起源问题。（2）水文地球化学研究可以查明地下水的分布和形成规律，为阐明 水文地质条件

2、、评价地下水资源增添些有效的方法。（3）水文地球化学研究可阐明人类活动对地下水的影响，成为自然资源的合理利用、保护、以及防止环境污染（地下水污染）等课题的理论基础。（4）水文地球研究可为矿床的形成提供水文地质分析方面的依据，为找矿提供有用的信息。（5） 在与地下热能开发有关的地下热水、饮用与医疗矿泉水及地质环境与人体健康等各方面，水文地球化学研究成果也将显示出它的作用，并做出应有的贡献。第二章 地下水的化学组成1.非极性的难溶挥发性有机物是地下水中危害最大的主要有机污染物。2.质量浓度：（1）以每升水中所含溶质的毫克数 （mg/L）或微克数（g /L）来表示；（2）以每千克溶液中含溶质的毫克数

3、（ppm）或微克数（ppb）来表示。3.摩尔浓度：mg/L与mol/L之间的转换关系为：mol=mg/1000/分子量4.当量浓度：meq/L=mmol/L化合价5.地下水化学成分的数据处理（1）水质分析结果的可靠性检验水中阴阳离子的平衡误差可用下式来计算： 式中：E为相对误差，Nc、Na分别为阳离子和阴离子的毫克当量浓度（meq/L）。如Na+、K+为实测值，E应小于5，如Na+K+为计算值，E应等于零或接近于零。 （2）分析结果中一些计算值的检验 总溶解固体：如果总溶解固体是计算值，应检验其数值是否减去了1/2的HCO3-含量，这是水质分析结果中最常见的一种错误。Na+K+：在简分析中，N

4、a+K+是计算值，其计算方法是： K+约为Na+K+的1/10硬度：总硬度也是计算值，可按下述方法检验：（3）根据碳酸平衡关系的检验 当pH8.4时，水质分析结果中不应出现H2CO3。如果分析结果不符合上述的情况，则说明pH或CO32-和H2CO3的测定有问题。 6、比例系数分析法的应用 mg/L之间的比值，记为Na/Cl，也可以meq/L之间的比值，记为Na/Cl 比例系数正常海水溶滤水经过某些特殊地质作用Cl/Br300300300(海水浓缩作用）Br/I13001300(经过生物残体作用测海相沉积水）Na/Cl 0.8511在这种水中，Na+除与Cl-结合成NaCl外，还与SO42-结合

5、成Na2SO4，故构成Na2SO4型水。 在这种水中，Na+除与Cl-和SO42-结合成NaCl和Na2SO4外，还与HCO3-结合成NaHCO3，故构成NaHCO3型水。（2）Na/Cl 1(ClNa ）/Mg1 属于CaCl2型水这种水中，除形成NaCl和MgCl2外,Cl-除与Ca2+结合成CaCl27.三线图示法(图的布局见书上）该图由一个等边平行四边形及两个等边三角形组成。浓度单位为每升水的毫克当量百分数。构图时，首先依据阴阳离子各自的毫克当量百分数确定水点在两个三角形上的位置，然后通过该点作平行于刻度线的延伸线，两条延伸线在平行四边形的交点即为该水点在平行四边形的位置。8.库尔洛夫

6、式 (示例）将阴阳离子分别标示在一条横线上下，均按毫克当量百分数自大而小的顺序排列，小于10的离子不予表示。横线前依次表示气体成分、特殊成分及矿化度（以字母M为代号），三者单位均为g/L，横线后以字母t为代号表示水的摄氏温度。第三章 地下水化学成分的形成与特征NaHCO3型水（苏打水）Na /Cl 1；(Na -Cl )/SO4 1 化学成分特征NaHCO3型水苏打水 呈碱性（pH 7，一般在8左右） 软水或极软水 矿化度多在0.6 g/L以上 NaHCO3型水（苏打水）形成作用与条件：1、 阳离子交替吸附作用（1）灌溉地段洗盐 ：潜水盐化使Na+的浓度增大，使土壤中富含吸附状Na+ ，而用H

7、CO3-Ca水灌溉时，可出现阳离子交替吸附作用，形成苏打水。（2）在滨海平原发生海退作用后，在海退不久的地方，富含Ca2+陆地水与富含吸附状Na的刚形成的海相粘土质沉积物进行上述阳离子交替吸附作用，形成苏打水。2、脱硫酸作用在封闭还原环境中，脱硫酸菌参与脱硫酸作用，水中SO42-减少乃至消失，出现H2S，形成苏打水发生在湖泊、海洋底部淤泥沉积物中，沼泽及自流盆地深部承压含水层中，尤其是油田水中。如果水中不仅主要含有Na+，还含有较多的Ca2+、Mg2+，那么只有在Ca2+、Mg2+以磷酸盐矿物形式沉淀后，才会出现苏打水，即只有在这些水相对于磷酸盐矿物饱和以后，才有可能形成苏打水3、风化作用含N

8、a的铝硅酸盐矿物（为长石）在含CO2的大气降水作用下发生水解，水中出现Na+和HCO3-Na0.62Ca0.38Al1.38Si2.62O8 + 1.38CO2 + 4.55H2O = 0.69Al2Si2O5 (OH)4 + 0.62Na+ + 0.38Ca2+ + 1.24H4SiO4 + 1.38HCO3- Na2SO4型水 Na /Cl 1；(Na-Cl)/SO4 14.Na2SO4型水形成作用与条件：（1）含钠长石的侵入岩，与含SO42-、CO2的渗入成因地下水，发生相互作用，在侵入岩的风化壳中可见到Na2SO4型水；（2）在硫化矿床及含煤地层（常含有硫化物）中，也可见到Na2SO4

9、型水。其形成是由于苏打水，与矿体或含煤地层接触反应，硫化物被氧化，产生SO42-，使水中SO42-含量剧增，pH降低，形成Na2SO4型水；（3）在含芒硝及石膏的盐矿区可见到Na2SO4型水，这种情况下水中常含有Cl-，水的M可达40100g/l。这类泉水冬天可形成盐华。（4）在沉积岩分布区，Na2SO4型水经常是混合作用、水-岩作用或阳离子交替吸附作用的产物。5.混合作用：为苏打水与硫酸镁水相混合，形成MgCO3沉淀，水中出现Na2SO4苏打水-石膏反应形成更难溶的方解石，以及Na2SO4型水。6.阳离子交替吸附：硫酸钙水或硫酸镁水渗透通过含吸附状Na的粘性土，发生阳离子交替吸附CaSO4+

10、2Na + =Na2SO4 +2Ca2+MgSO4+2Na + =Na2SO4 +2Mg2+7.NaCI型水形成作用与条件：（1）概述：自然界98%的地下水属卤水、盐水和咸水，其中氯化物水都占首位 有的地方可以遇到氯化物类淡水，如四川渡口沙沟村中见Cl-Na型水，M仅0.264g/l。（2）常见形成作用大陆盐渍化地区，蒸发浓缩作用的结果可形成Cl-Na型水。Cl-Na型水可由不同成分的水混合而成，这与含水层中是否存在岩盐无关。例如， Na2SO4型水与CaCl 2型水发生混合：在侵入岩风化壳中经常含有一定量的Cl-Na水，这里钠离子由含钠的铝硅酸盐水解而进入地下水中， Cl-则是由分散状的矿物

11、结晶格架遭受破坏进入水中，侵入岩一般贫Cl-，故水的rCl rNa。这种方式形成的水蒸发浓缩时，常变为Cl-Na咸水，但仍保持rCl rNa 。含盐沉积物及盐矿区，由溶解作用形成Cl-Na水，一般为咸水、盐水或卤水。（3）CaCl2 型水形成作用与条件：阳离子交替吸附作用：2NaCl+ CaX=CaCl2 +2 NaX次生白云岩化作用深部环境，高镁卤水与石灰岩作用，生成白云岩2CaCO3+MgCl2=CaMg(CO3)2+CaCl2钠长石化斜长石结晶格架中的Ca2+、Al3+被卤水中的Na+、Si4+代替，成为钠斜长石CaAl2Si2O8+Na+Si4+=NaAlSi3O8+Ca2+Al3+内

12、生说地球上存在着以地幔大气为原生成因的“水氯圈”，所有的阴离子以Cl为主的天然高矿化水属于此圈当这些内生的氯化物水溶液受地球内部应力作用由下至上运动时，Ca、Mg离子通过空隙介质的能力低于Na、K的。从而使地壳较深处的氯化物高矿化水偏钙质8.渗入成因地下水成分的形成过程渗入成因地下水的形成经历了：大气降水阶段 植物-土壤影响阶段 水-岩相互作用阶段 蒸发浓缩阶段（1）大气降水阶段： 大气降雨的一般成分特征 气体：可溶性气体（O2, CO2, N2等）及惰性气体。 侵蚀性：CO2溶于水后，形成碳酸，降低了雨水的pH值，提高了它的侵蚀性； 弱酸-中性，未饱和，矿化度低强的溶解能力； 人类活动促使大

13、气降水聚集各类金属、有机化合物及各种盐类，改变了雨水的矿化度、成分、氧化-还原性质、 侵蚀性等。（例如酸雨pH8）出露地表后变化形成泉华一般无泉华地下水组分变化大地下水组分变化小 2) 相遇顺序不全等溶解对地下水的影响 白云石方解石先遇白云石，饱和后，再遇方解石。该顺序因水温不同，溶解和沉淀反应各异，使rCa/rMg=1原因： Kc=Ca2+CO32- Kd= Ca2+Mg2+CO32-2 Ca2+ CO32- 2 t Kc,即白云石饱和后，水流经方解石时出现沉淀 t 10C时，Kd 1/2 Kc,即白云石饱和后，水仍能溶解方解石，白云石沉淀反应迟滞，历时长；白云石沉淀后，方解石溶解，沉淀、溶

14、解同时存在。 方解石白云石方解石溶解产生不了使白云石沉淀的Mg2+；水流经白云石时，白云石溶解，产生了更多的Ca2+、 CO32-，促使方解石沉淀方解石沉淀使水中Ca2+、 CO32-减少，这又进一步促进了白云石溶解结果： rCa/rMg降低，一般白云石，故方解石先饱和而沉淀，白云石继续溶解；结果： rCa/rMg初始值高，后渐低如果白云石含量远大于方解石（如灰质白云岩），白云石先达到饱和，此时， rCa/rMg 1若方解石、白云石均达到溶解平衡，则（2）假定通过灰岩、石膏、砂岩和页岩四种岩石，第1种顺序：假定通过砂岩、页岩、石灰岩及石膏层四种岩石，第2种顺序（类似分析）11.海相沉积物介质环

15、境特点海相淤泥沉积物富含有机质及各种微生物。 Corg为0.27% 多处于还原环境富含有机质和微生物的嫌氧的还原环境垂向上，海相淤泥距水表面数厘米以下，即由氧化环境转为还原环境；横向上，由海盆地边缘向中央，沉积物由偏氧化的环境转为偏还原的环境12.沉积水（淤泥水）的变质作用脱硫酸作用金属硫化物的沉淀反硝化作用有机物质的分解阳离子交替吸附作用碳酸盐的沉淀13.海相淤泥沉积物的各种地球化学作用 脱硫酸作用淤泥水（海水） SO42-被有机物质和微生物还原生成H2S和S2-SO42-+2C+2H2OH2S+ 2HCO3-SO42-+4H2S2-+ 4H2OS2-+ 4H2O HS-+OH-结果：水中S

16、O42-消失，出现H2S和HCO3- ，pH增大 金属硫化物的沉淀原理 H2S +Fe2+H2O FeSnH2O (水陨硫铁矿) 结果： H2S消失反硝化作用2NO3-+2C+2e N2+2CO32- CO32-+H+ HCO3-结果：水的pH值增高，出现HCO3-和CO32-有机物质的分解在嫌氧环境中，有机质发生分解，最终产生CH4、碳氢化合物、H2、NH4+和N2等，进入淤泥水中，尤其是CH4和NH4+许多海生生物中经常含有I、一定量的Br，随着有机物的分解，I和Br，尤其是I也进入淤泥水，使水的I含量大为增加，Br含量有所增加阳离子交替吸附作用海退：可形成NaHCO3型水海侵：浅海盆地，

17、富含Ca2+的陆源沉积物与占Na+优势的海水相作用，发生交替吸附反应。 2NaCl + CaX =CaCl2 + 2 NaX结果：水中Na+减少，Ca2+增多条件：Na+吸附能力Ca2+，此反应才能进行。碳酸盐的沉淀导致碳酸盐沉淀的两种作用：脱硫酸作用使水中HCO3-和pH增大，阳离子交替吸附作用使水中Ca2+增大结果：水中Ca2+、Mg2+、Fe2+和HCO3-产生沉淀含量减小；Ca2+含量减少，又会反过来影响阳离子交替吸附；水中Na+更少，rNa/rCl下降14.地下水水文地球化学分类： 分类的基本原则：（1）按照空气迁移的标型元素和标型化合物，对地下水进行分组；（2）按照水迁移的标型元素

18、和标型化合物对地下水进行分类；（3）在分组分类时又考虑到这两种标型元素和标型化合物所控制的成因环境。空气迁移的标型元素和标型化合物主要决定着环境的氧化还原条件；水迁移的标型元素和标型化合物，则在很在程度上决定着地下水的酸碱条件和矿化度。按水中溶解气体组分，将地下水分为A、B、C、D、E、F六组。 A氧化水组（标型元素是 O2，氧化环境，岩石呈红、棕、黄色，地表水、潜水、部分承压水组属此组 ）B潜水组（标型化合物为生物成因的CO2，氧化还原环境，岩石淡绿色、灰、灰蓝色，许多潜水，或承压水、湿润气候还原的沼泽水，以及基岩沿断层下渗的深层水，属于此类）C硫化氢还原水组（标型化合物为H2S，还原环境，

19、水交替缓慢带）D甲烷强还原水组（标型化合物为 CH4，强还原水组，承压水盆地交替停滞带，海相封存水，油田水等）E变质或岩浆CO2水组（标型化合物为CO2变质或岩浆，近期岩浆活动区，构造断裂发育区和区域变质地带）。 F含氮热水组（标型化合物为大气成因的N2，具隆起带地下热水） （1）按阴离子成分将水分为6大类 I类: II类: III类: IV类: V类: Cl 化合类 VI类: 卤水类（Cl）（2）按阳离子再分出9个亚类，用阿拉伯数字19表示。（3）地下水水文地球化学分类按阴离子成分将水分为6大类按阳离子再分出9个亚类，用阿拉伯数字19表示。分类中注明M、pH值。水中有机物的含量在备注中说明。

20、meq%20%的阴、阳离子参加分类。示例 【表示水温25】 pH=6.18 ，SiO2=60mg/L，承压水， 表示为E承192II46.181.24 第四章 地下水中元素的迁移元素迁移：元素由一种存在形式转化为另一种存在形式，并伴随一定的空间位移的运动过程，称之为“元素的迁移”。标型元素：指其迁移能控制地球化学环境，高克拉克值的强迁移元素，也称标型离子或标型化合物标型元素的标型程度取决于元素的克拉克值和迁移能力。根据空气迁移元素的组成，可将表生带区分为三种基本的氧化还原环境：A氧化环境（标型元素是O2) B、潜育环境(无硫化氢的还原环境,标型元素CO2) C、还原环境(硫化氢还原环境)根据水

21、迁移元素的组成，水迁移环境有以下6种主要类型：A强酸型(pH4)，标型元素是H，局部为SO42、Fe3+、Al3+, Zn2+, Cu2+等，多为硫化矿床氧化带地下水。B酸型(4pH6.5)，标型元素是H，有机酸阴离子。C中性和弱碱性重碳钙型(6.5pH8.5)，标型元素是Ca2+,HCO3。D、中性和弱碱性氯化物硫酸型（6.5pH8.5）,标型元素是 Na+, Cl,SO42。E、中性和弱碱性石膏型(6.5pH8.5)，标型元素是HCO3,OH,SiO2和Na+。影响元素迁移的因素（1）pH对元素迁移的影响（2）氧化还原电位Eh的影响（3）Eh-pH图解 大部分氧化还原反应，都受到介质酸碱度

22、pH的影响。把氧化还原电势Eh与pH之间的关系绘制成图解，称为Eh-pH图解。（4）温度和压力的影响 （5）地球化学障(在元素迁移途中，如果环境的物理化学条件发生了急剧变化，导致介质中原来稳定迁移的元素其迁移能力下降，元素因形成大量化合物而沉淀，则这些引起元素沉淀的条件或因素就称为地球化学障)溶液pH值对元素行为的影响具体表现:（1）pH值影响氢氧化物是否自溶液中沉淀(2)pH值影响元素的共生或分离(3)影响两性元素的迁移形式(4)盐类的水解是低温水岩作用中常见的一种化学反应。这一反应多生成酸，因此作用过程受pH值的控制。 弥散是指多孔介质中两种液体相接触时，某种物质从含量高的液体向含量低的液

23、体迁移，在两种液体分界面处形成一个过渡混合带，混合带不断发展扩大，趋向成为均匀的混合物质，这种现象称为弥散。形成弥散现象的作用，称为弥散作用。弥散作用包括分子扩散作用、对流迁移作用和渗透分散作用对流迁移：物质随着运动介质一起迁移称为对流迁移。这是自然界物质迁移的主要方式。把物质随着渗透水流一同迁移时，由于速度不均所产生的弥散现象称为渗透分散。第五章 地下水中的同位素同位素组成(分析结果)的表示方法：1）绝对比率（R）：用两个同位素比值直接表示，例如34S/32S，13C/12C等；2）对标准样品R的绝对比率差（R）, R = R样品 - R标准3)样品相对于标准样品R的偏离程度的千分率：=(R

24、样-R标)/R标1000 =(R样/R标-1) 1000目前国际通用的同位素标准如下：(1) 氢同位素：分析结果均以标准平均大洋水(Standard Mean Ocean Water,即SMOW)为标准报导，(2)碳同位素：标准物质为美国南卡罗来纳州白垩纪皮狄组层位中的拟箭石化石(Peedee Belemnite,即PDB)，(3)氧同位素：大部分氧同位素分析结果均以SMOW 标准报导；在碳酸盐样品氧同位素分析中，经常采用PDB标准，(4) 硫同位素：标准物质选用Canyon Diablo铁陨石中的陨硫铁(Troilite),简称CDT。同位素效应(Isotope effect)：由同位素质量

25、差异引起的物理和化学性质的差异。同位素分馏(isotope Fractionation)：在同一系统中某些元素的同位素以不同的比值分配到两种物质或相态中的现象，是同位素效应的表现。主要的分馏过程 同位素热力学分馏（化学平衡和相平衡过程中的同位素分馏）同位素交换反应 (不同分子间同位素交换：如：大气圈与水圈之间发生氧同位素交换反应：相同分子间(歧化反应)同位素交换：如：水分子间发生氢同位素交换反应：蒸发-凝聚过程（因蒸气压的不同，物理分馏） 同位素动力学分馏（因扩散速度和反应速度不同引起的同位素分馏）扩散过程（物理分馏）氧化-还原过程 光合作用过程（生物化学反应）在化学反应过程中，因轻同位素形成

26、的键比重同位素更易破裂，这样在化学反应中轻同位素分子的反应速率高于重同位素分子。影响大气降水同位素组成主要因素:大陆效应 纬度效应 高度效应 季节效应赤道大洋有最强的蒸发作用:海水的蒸发作用使汽相富集轻的水分子云的凝聚过程重的分子优先凝成雨经过反复多次的蒸发-凝聚分馏作用:使内陆及高纬度地区雨、雪集中了最轻的水而在低纬度地区大洋中出现最重的水,D和18O平行变异。大洋及赤道地区出现重水(18O、D趋向更大正值)。这就是“氢氧同位素的纬度效应”放射性衰变定律：即在一个封闭的系统内，单位时间内放射性母核衰变为子核的原子数与母核原子数成正比第六章 地下水污染地下水污染：在人类活动影响下所产生的地下水

27、水质向恶化方向发展 的现象地下水污染物：在人类活动影响下进入地下水系统的溶解物或悬浮物；上述物质使地下水水质向恶化方向发展；无论上述物质的浓度是否达到使水质超过使用标准的程度，都应视为污染物。地下水污染物按成因分为：人为污染源、天然污染源地下水污染物特点：隐蔽性、难以逆转性地下水污染物方式:直接污染 、间接污染、间歇入渗型 、连续入渗型、越流型、径流型控制微量金属污染的主要机理: 吸附、沉淀地下水中的氟浓度: 1.受CaF2的溶解度控制 2.受吸附过程的控制 与原生高氟地下水形成有关的几个水文地球化学过程： 在高TDS的苏打水区，高浓度的HCO3-可大大增加萤石的溶解量，使地下水中富集F- 。

28、CaF2 + 2HCO3- = CaCO3 + 2F- + H2O + CO2 在沉积物中同时富含萤石与吸附态Na+的情况下，Na+可大量交换地下水中的Ca2+使反应CaF2 = Ca2+ + 2F- 不断向右进行，地下水中将富集氟 在碱性环境中，地下水中的羟基可置换含氟云母矿物中的可交换性氟，使地下水中富集F- 。地下水氮污染 1.地下环境中的氮：离子（NH4+、NO3-、NO2-）、溶解气体（N2、N2O）、有机化合物（有机氮） 2.地下水氮循环机理：有机氮的矿化过程；硝化过程；反硝化过程；固氮过程；铵吸附作用。 3.影响氮转化的因素：自然环境因素：温度、氧化还原电位（Eh、水及土壤中的养分 地质因素：包气带岩性及结构、潜水埋深、含水层类型