水文地球化学

水文地球化学研究现状、基本模型与进展摘要：1938 年, “水文地球化学”术语提出, 至今水文地球化学作为一门独立的学科得到长足的发展, 其服务领域不断扩大。

当今水文地球化学研究的理论已经广泛地应用在油田水、海洋水、地热水、地下水质与地方病以及地下水微生物等诸多领域的研究。

其研究方法也日臻完善。

随着化学热力学和化学动力学方法及同位素方法的深入研究, 以及人类开发资源和保护生态的需要, 水文地球化学必将在多学科的交叉和渗透中拓展研究领域, 并在基础理论及定量化研究方面取得新的进展。

早期的水文地球化学工作主要围绕查明区域水文地质条件而展开, 在地下水的勘探开发利用方面取得了可喜的成果( 沈照理, 1985) 。

水文地球化学在利用地下水化学成分资料, 特别是在查明地下水的补给、迳流与排泄条件及阐明地下水成因与资源的性质上卓有成效。

20 世纪60 年代后, 水文地球化学向更深更广的领域延伸, 更多地是注重地下水在地壳层中所起的地球化学作用( 任福弘, 1993) 。

1981 年, Stumm W 等出版了5水化学) ) ) 天然水化学平衡导论6 专著, 较系统地提供了定量处理天然水环境中各种化学过程的方法。

1992 年, C P 克拉依诺夫等著5水文地球化学6分为理论水文地球化学及应用水文地球化学两部分, 全面论述了地下水地球化学成分的形成、迁移及化学热力学引入水文地球化学研究的理论问题, 以及水文地球化学在饮用水、矿水、地下热水、工业原料水、找矿、地震预报、防止地下水污染、水文地球化学预测及模拟中的应用等, 概括了20 世纪80 年代末期水文地球化学的研究水平。

特别是近二十年来计算机科学的飞速发展使得水文地球化学研究中的一些非线性问题得到解答( 谭凯旋, 1998) , 逐渐构架起更为严密的科学体系。

1 应用水文地球化学学科的研究现状1. 1 油田水研究水文地球化学的研究在对油气资源的勘查和预测以及提高勘探成效和采收率等方面作出了重要的贡献。

早期油田水地球化学的研究只是对单个盆地或单个坳陷, 甚至单个凹陷进行研究, 并且对于找油标志存在不同见解。

此时油田水化学成分分类主要沿用B A 苏林于1946 年形成的分类。

1965 年, E C加费里连科在其所著5根据地下水化学组分和同位素成分确定含油气性的水文地球化学指标6中系统论述了油气田水文地球化学特征及寻找油气田的水文地球化学方法。

1975 年, A G Collins 在其5油田水地球化学6中论述了油田水中有机及无机组分形成的地球化学作用( 汪蕴璞, 1987) 。

1994 年, 汪蕴璞等对中国典型盆地油田水进行了系统和完整的研究, 总结了中国油田水化学成分的形成分布和成藏规律性, 特别是总结了陆相油田水地球化学理论, 对油田水中宏量组分、微量组分、同位素等开展了研究, 并对油田水成分进行种类计算, 从水化学的整体上研究其聚散、共生规律和综合评价找油标志和形成机理。

同时还开展了模拟实验、化学动力学和热力学计算, 从定量上探索油田水化学组分的地球化学行为和形成机理。

1. 2 洋底矿藏研究1870 年,AA BePnro在黑海河口湾开始了海洋水的研究。

直至20 世纪50 年代中期, 苏联和美国都较系统地开展了该次研究。

1972 年,oB III IKHHa在其5海洋软泥水地球化学6中讨论了世界三大洋和内陆海软泥水化学成分资料, 对不同类型沉积物中的软泥水化学成分特征进行了描述和分类, 总结了软泥水化学成分浓度随深度变化的规律性, 并进行了解释。

1988 年, G N Baturin 撰著的5大洋锰和锰结核的地球化学6英文版专著中有一个章节, 专论海洋沉积物孔隙水中的Mn。

研究发现海洋沉积物孔隙水中Mn 含量的变化幅度很大, 可在7 个数量级的范围中变动; 每种沉积物类型软泥水的Mn 浓度变动范围亦相当大。

依Mn 浓度将沉积物分为内陆盆地、边缘海洋带和大洋深海带3 种类型( 汪蕴璞, 1991) 。

近20 年来, 由于陆地资源储量日益消耗加剧特别是陆地上的Cu、Ni、Co、Mn 4 种多金属资源在50~ 60 a 后即将殆尽; 另一方面世界大洋底部蕴藏着金属结核约有3 @ 108 t , 因此人类转向大洋矿产资源开发。

汪蕴璞等在1986~ 1988 年期间, 在太平洋中部海域开展的多金属结核调查, 以及通过开展室内水-岩作用模拟系列试验和各类样品成分的多项分析测试, 在应用电子计算机技术和数理统计法等取得的极其珍贵的、比较系统的第一手资料的基础上, 经过综合分析研究, 首次披露了洋底界面水的物理化学场的景观, 以及洋底存在金属垒、氧化垒和碱性垒的现代环境。

剖析了大洋水物质模型和界面水物理化学场的形成机理及其与多金属结核形成之间的规律性联系。

发现多金属结核的成矿溶液是一种稀的金属溶液和参与成矿的金属存在形式。

概括了成矿作用反应场中成矿金属的形成和转移模式。

提出了水成多金属结核的成矿阶段、作用和机理。

阎葆瑞等采用新的微生物成矿的理论和观点着重论述了大洋水及沉积物系统的地质、地球化学环境, 洋底水、沉积物、孔隙水及多金属结核等介质中微生物的分布及其地球化学作用对成矿元素富集、沉析的影响, 现代和古代微生物的成矿作用及成矿机制等问题( 阎葆瑞, 1994) 。

在微生物成矿机制及古微生物的成矿作用, 以及多金属结核纹层等微构造的微生物成因等方面提出了新的见解与发现。

1. 3 地热水研究目前对地热水中的地球化学研究, 已有了较全面的了解。

其地下热水( 蒸汽) 绝大部分起源于大气( 沈照理, 1985) 。

早在1964 年A J Ellis 等在/ 天然水系统与实验室热水-岩反应0一文中提到热水中的大部分溶解组分来自于水与围岩之间的反应。

可以概括为: 地热田是一个高温条件下的水文地球化学系统, 构成该系统的基本物质成分是地热流体和固相介质( 围岩) 。

1977 年, Ellis 等发表了5地热系统化学6一书。

书中就热水的起源、热水的物理化学同位素特征、水热蚀变、热水中矿物沉淀等作了详细的阐述。

同时还讨论了新西兰有关野外采样和实验室分析方法。

1977~ 1983 年, 美国学者Bow ers T S 经过6 年的实验室工作, 获得第一手有关矿物、气体和溶解态组分在一系列温度、压力下的热力学参数和化学反应方程, 建立了600 多种相图( 包括压力达500 MPa, 温度达600 e ) , 并出版了5矿物-水溶液平衡活度相图6 一书。

20 世纪80 年代, R O Fournier等对地热温标作了进一步探讨, 建立了一系列地热温标公式, 被广泛应用于地热开发利用中确定热水系统的热贮层温度。

1988 ~ 1992 年, W F Giggenbach创立了一系列三角图作为研究地热流体起源和形成机理的标志( Geoindicators) 。

这些三角图作为一种简明而强有力的技术对热泉及热水井水作出快速的评价( Gig genbach, 1993; Hedenquist , 1990;Reyes A G 等, 1993) 。

目前广泛使用的标志有O C-lSO4-HCO3 三角图、C-l L-i B 三角图、Na-K-Mg 三角图和N2-Ar-He 三角图。

1957 年, H Craig 在意大利地热田应用了同位素技术, 随后H P Tay lor 等相继研究了世界上一些大型的地热田水的同位素, 认为在氢氧同位素的组成中地热水18O 的正漂移原因是地热流体在上升过程中沸腾-闪蒸-混合作用、水-岩相互作用及岩浆水的输入P。

中国西藏羊八井地热田的热水来源问题就是利用氢-氧同位素组成得以解决的。

并认为羊八井热水最轻, 可用西藏的瑞利过程引起的同位素分馏效应来解释。

此外同位素作为地热温标得到深入的研究。

水文地球化学的研究在地热开发利用领域中的应用是卓有成效的, 在新西兰、菲律宾、印尼等国家的一些大型地热田中水文地球化学的应用在以下3个方面发挥了重要的作用: ¹探查阶段: 利用泉水化学和喷气孔化学并配合地质和地球物理确定热源, 找出流体的垂向上升带和侧向径流带; º发展阶段: 通过比较泉水和井水化学, 利用混合图解估算地热田的潜能、水文情况及评价热贮层化学和基准温度; » 开发利用阶段: 通过井水常规采样, 对热贮层进行监测, 并分析地热水的腐蚀和结垢状况。

1. 4 环境水文地球化学研究1. 4. 1 地下水质与地方病环境因素与人类健康的关系自古就为国内外的学者所重视。

1916 年, 布雷克#麦凯首次发现斑釉齿与饮水有关。

随后, 天然水的化学成分与人类健康的关系逐渐引起了人们的重视, 各国学者如日本、瑞典、美国、英国、荷兰、芬兰、加拿大相继探索了天然水质与大骨节病、脑溢血、心血管病、胃癌、皮肤癌等的关系。

中国幅员辽阔, 自然环境复杂多变, 地方病种类多、分布广、危害大。

据粗略统计( 林年丰, 1991) , 在全国2 201 个县中( 1986 年12 月31 行政区划) 约有834 个县不同程度地分布着各种地方病, 占全国总县数的37. 89% 。

各类地方病的患病人数不低于0. 6 亿, 受威胁人口达3 亿。

在全世界人口中各类地方病患者约3 亿, 受威胁人数达15 亿。

可见环境地球化学地方病对人类造成的危害之大。

中国自20 世纪70 年代初开始先后对克山病、地氟病等开展了水文地球化学研究工作, 目前水文地球化学在生命科学研究中的意义已在世界范围内引起重视。

林年丰领导下的长春地质学院地方病科研组自1968 年以来进行了20 多年的综合考察, 对中国东北、西北、西南、华东、华南等十几个省区进行了克山病、大骨节病、癌症、地方性甲状腺肿、地方性氟中毒、地方性砷中毒、伽师病以及其它的生物地球化学地方病进行了专题研究, 建立起了医学环境地球化学的理论体系。

1990 年, 在杨忠耀主编的5环境水文地质学6 一书中论述原生环境水文地质条件与地方病, 详细讨论了各种地方病病区的水文地球化学特征。

1989 年, 中共中央地方病防治领导小组办公室与中国科学院环境科学委员会主办出版了5中华人民共和国地方病与环境图集6, 综合、系统地分析了中国已经积累的宝贵资料, 全面展示了中国地方病的地理分布规律、流行特点及其与生态环境, 特别是化学生态环境的关系。

最近出版的5中国生态环境地球化学图集6,展示了环境地球化学背景及影响生态地球化学系统的主要因素和相关因素, 揭示了浅层地下水微量元素迁移集散规律及其健康效应。

1. 4. 2 与污染有关的水文地球化学研究随着环境水文地质学研究的深入, 对地下水污染的结果有了较全面的认识, 即危害人体健康, 影响水资源在工农业生产中的有效利用, 破坏生态平衡, 损害环境优美等各个方面。