第四章 水环境地球化学
第四章 同位素在海洋地球化学研究中的意义和应用
E
例如：
226 88
Ra 86 Rn 2 He ( ) E
222 4
(镭) （氡） 由上式可见，新核的同位 素原子序数比母核少2， 质量数少4。自然界的重 同位素235U、238U、232Th等 以α 衰变为主。
电子捕获：原子核自发地从核外电子层（K层或L层） 捕获1个电子（e），通常在K层上吸取，与质子结合变 成中子，质子数减少1个（是β -衰变的逆向变化, β+粒 子）。
自然界中不稳定核素不断自发地放射出质点和能量、转变 成稳定的核素，称为核衰变或蜕变。通常我们将衰变前的 核素称为母体，衰变后的核素称为子体。不受任何物理化 学条件的影响。
β-衰变：原子核中一个中子分裂为一个质子和一个电 子（即β-粒子），同时放出中微子 和能量E。
原子量 A A 原子序数 Z X Z 1Y
E
例如：
Rb 38 Sr E 37
87 87
K 20 Ca E 19
40 40
α衰变: 放射性母核放出α粒子（α粒子由两个质子和 4 两个中子组成，α粒子实际上是 ）而转变成稳定 He核 2 核。
A A 4 4 原子量 X Z 2Y 2 He( ) Z 原子序数
同位素标准样品：
同位素分析资料要能够进行世界范围内的比较，就必须 建立世界性的标准样品。世界标准样品的条件： ①在世界范围内居于该同位素成分变化的中间位置，可 以做为零点； ②标准样品的同位素成分要均一； ③标准样品要有足够的数量； ④标准样品易于进行化学处理和同位素测定。
元 素 标 准 样 缩 写
第二节 铀系测年法
铀系测年，或铀系不平衡测年法是海洋地球化学 研究中最常用的测年方法，其测年范围可从数十年到 数百万年。 自然界有三个衰变系列：
04第四章(氢氧同位素)
1.氢氧同位素概述 2.天然水的氢氧同位素组成及分布特征 3.氢氧稳定同位素的应用
1概 述
1.1 氢、氧同位素的主要地球化学性质
氢和氧是自然界中的两种主要元素，它们 以单质和化合物的形式遍布全球。
冰雪的堆积与融化对海水同位素组成的影响
北极冰的δD值为-160 ‰，δ18O值为-22 ‰ ； 南极雪的δD 值为-440 ‰ ，δ18O为-55 ‰。
当极地有大量冰雪堆积时， 海洋水的同位素组成变重； 若全球冰雪融化，海洋水 的同位素组成变贫。 据计算海水的δ18O将降到 -1‰，δD降到-10‰。
降水线的斜率也是反映分馏程度的一个参数
1965年Craig和Gordon指出，云团的冷凝过程基本上属于平衡过程，没 有明显的动力分馏，分馏系数介于封闭的平衡蒸发和瑞利蒸发之间，因 此，全球降水线的斜率S＝8。
大量的研究证明，海水蒸发形成云团蒸气的过程实际上是一个动力过程， 蒸发速度受水－空气界面的扩散速度控制，而大气中的湿度、风速等因 素都会影响扩散速度。由于氢氧同位素分子有不同的扩散速度，所以得 到的斜率不等于8，而往往在5-6之间。由于受蒸发作用的影响而斜率小 于8。
2.4 地下水
1) 渗入水
不论古代还是现代，由大气降水补给的渗入水的同位素组成与其补给 源的大气降水的同位素组成相近，这是一种普遍的现象。在δD－ δ18O关系图上，数据点都落在世界降水线或地方降水线附近。
利用大气降水的高度效应，可以推测计算地下水补给区的高度和 位置。
穿过起伏较大的大陆边缘加拿大西部山脉降水的δ18O变化
-7.0
-8.0
水资源与水环境,第四章(天然水化学)
☆大气降水中所含溶解气体十分稳定，浓度几乎不变，但CO2成分不稳定。
☆大气降水中二氧化硅含量很小，一般不超过0.5mg/L。
大气降水的pH值一般为5.5－7.0左右。
☆目前，酸雨已成为全球性的重大环境问题之一。
海水占地球总水量的97.2%，世界各地海洋水质基本相似和稳定。
各种天然存在的元素，在海水中几乎都能发现，它们以单离子、络合离子、分子等各种形式存在。
海水占地球总水量的97.2%，世界各地海洋水质基本相似和稳定。
各种天然存在的元素，在海水中几乎都能发现，它们以单离子、络合离子、分子等各种形式存在。
34g 3☆宏量组分海水中宏量组分的含量按其顺序为Cl、Na、SO4、Mg、Ca、K、HCO3、Br，它们的总量占海水溶解物质的绝大部分，即99.94%。
☆中量组分它们是指含量为0.1-10mg/L的组分，这些组分是：Sr、SiO2、B、F、NO3、Li、Rb、C（有机）。
☆微量组分它们是指其含量小于0.1mg/L的组分。
它们包括P、I、Ba、Zn、Ni、As等30多种。
☆海水的含盐度大到在34‰－36‰范围内，只有含量范围变化很大，Na和Cl比也有些变化。
☆海水中含有溶解的和悬浮的有机物，一般有机碳含量在0.1-2.7mg/L范围。
2、海水的成分特征2、海、海水的成分特征3、河水的成分特征☆不同地区的岩石、土壤组成决定着该地区河水的基本化学成分。
在结晶岩地区，河流水中溶解离子含量较少；在石灰岩地区，河水中富含Ca2+及HCO3；若河流流经白云岩及燧石层时，水中Mg、Si含量增高；河流流经石膏层时，使水中富含SO4，且总含盐量有所增加；富含吸附阳离子的页岩及泥岩地区则向河水提供大量溶解物质，如Na、K、Ca、Mg。
☆河水中总含盐量在100-200mg/L间，一般不超过500mg/L，有些内陆河流可以有较高的含盐量。
河水中主要离子关系与海水相反，即其次序为Ca>Na，HCO3> SO4>Cl。
第4章 水文地球化学参数
第四章水文地球化学参数水文地球化学参数有三类：物性水文地球化学参数，条件水文地球化学参数，综合性水文地球化学参数。
第一节物性和条件水文地球化学参数一、物性水文地球化学参数物性水文地球化学参数是反映事物的性质（物质的性质和物质间相互作用时的质量和能量关系）的参数。
如平衡常数，反应速度常数，分配系数，吸附容量，自由能，焓，熵，标准电子活度或标准电极电位，离子电位，离子半径和价态，以及原子结构和其外层的价电子层结构都是反映事和物内在本性的参数。
这些参数反映的是事物的本性，或反映的仅仅是事物在理想状态时的特征。
事物在理想条件下的状态与实际条件下是有一定的差距的。
在研究客观具体事物时还需根据具体条件作具体分析。
但尽管如此，收集和掌握这些参数对水文地球化学研究无疑是非常必要和有益的，因为这些参数是对事物进行分析判断的基础，是对事物进行理论计算和实践设计必不可少的参数。
二、条件水文地球化学参数条件水文地球化学参数是反应体系及其环境所处的条件的参数，是用来描述事物或体系与环境的外观状态的参数，当然也是进行水文地球化学计算时所需要的基本数据。
它们主要有水化学组分，含量，pH，pE或Eh，温度，压力等。
无疑这些参数是水文地球化学研究和计算中必不可少的重要参数，因而也是我们野外和实验室工作中必须取得的主要资料。
第二节参比和综合性水文地球化学参数上面已提及，仅有物性水文地球化学参数是不能对水岩体系的客观状态和变化作出确定性的定量回答，也是无法对水岩体系进行具体的水文地球化学计算。
但是仅仅依靠条件水文地球化学参数也是不够的，因为同一个客观具体条件对不同的事物的影响显然是不尽相同的。
对一个事物要作出既科学又符合客观实际的回答，必须将理论与实践相结合，也就是说，将事物的条件状态与该条件下事物发生变化的边界状态相比较，才能对事物的状态、发展结果和将可能发生的事件作出正确的论断。
反映实际条件与该具体条件下的边界条件相比较的结果的参数便是综合性的参数，如饱和指数、反应条件指数等。
《水文地质学》第4章 地下水的化学成分及其形成
•地下水的化学特征•地下水化学成分的形成作用•地下水化学成分的基本成因类型•地下水化学成分的分析内容与分类图示1、地下水中主要气体成分氧、氮、硫化氢、二氧化碳2、地下水中气体成分及其反映的地球化学环境（1）地下水中溶解氧含量越多，说明其所处的地球化学环境愈有利于氧化作用进行；（2）氮气的单独存在，常可说明地下水起源于大气并处于还原环境；（3）硫化氢的出现说明地下水处于缺氧的还原环境；（4）地下水中二氧化碳愈多，其溶解碳酸盐类的能力以及对结晶岩类进行风化作用的能力愈强。
1、地下水中主要离子成分氯离子、硫酸根离子、重碳酸根离子、钠离子、钾离子、钙离子、镁离子2、离子成分与矿化度的变化（1）矿化度发生变化，地下水中占主要地位的离子成分也随之发生变化。
低矿化度水中常以碳酸根离子、钙离子与镁离子为主；（2）高矿化水则以氯离子与钠离子为主；（3）中等矿化水中，阴离子常以硫酸根离子为主，主要阳离子可以是钠离子，也可以是钙离子。
1、微量成分Br、I、B、Sr、Ba等；2、胶体Fe(OH)3、Al(OH)3、SiO2及有机质胶体；3、微生物（如硫细菌、脱氧细菌等）；4、物理性质（如温度、透明度、颜色、放射性等）。
1、地下水的总矿化度（g/L）地下水中所含各种离子、分子与化合物的总量成为总矿化度；2、库尔洛夫式1、溶滤作用：在水与岩土相互作用下，岩土中的一部分物质转入地下水中，即为溶滤作用；溶滤作用结晶作用2、影响溶滤作用强度的因素（1）组成岩土的矿物盐类的溶解度；（2）岩土的空隙特征；（3）水的溶解能力；（4）水中二氧化碳、氧气等气体成分的含量决定着某些盐类的溶解能力。
水中二氧化碳含量愈高，溶解碳酸盐及硅酸盐的能力愈强，氧气的含量愈高，水溶解硫化物的能力愈强；（5）水的流动状况。
3、溶滤作用在时间上的阶段性（1）溶滤作用是一种与一定的自然地理与地质环境相联系的历史过程。
（2）首先易溶物质如氯化物由岩层转入水中，成为地下水中主要化学成分，并被水流带走而逐渐贫化；然后相对易溶物质如硫酸盐溶入水中，成为地下水的主要成分；随着溶滤作用的长期持续，岩层中保留下来的几乎只是难溶的碳酸盐和硅酸盐，地下水的化学成分也就以碳酸盐和硅酸盐为主。
第四章 第二节 水体污染
汞在无脊椎动物体中的富集可达10万倍，
日本的水俣病就是人长期吃富集甲基汞 的鱼而造成的。
2、镉[Cd（Ⅱ ）]
镉的化合物毒性很大，蓄积性也很强，
动物吸收的镉很少能排出体外。
受镉污染的河水用作灌溉农田，可引起
的重要来源。
目前造成湖泊等水体的富营养化，主要是由面源
带来的大量氮、磷等所造成。
2、几种水体污染源的特点
（1）生活污染源
由人类消费活动产生的污水。 城市和人口密集的居住区是主要的生活污染源。
生活中产生的污水，包括由厨房、浴室、厕所等
场所排出的污水和污物。
过量使 用洗涤 剂
过量使用 洗衣粉
把剩饭倒入 下水道
是环境保护研究和水污染防治的主要对象。
人为污染源体系很复杂：
按人类活动方式分为工业、农业、交通、生活等污
染源；
按排放污染物种类不同，可分为有机、无机、热、
放射性、重金属、病源体等污染源，以及同时排放
多种污染物的混合污染源；
按排放污染物空间分布方式，可以分为点源和非点
源。
水污染点源：
指以点状形式排放而使水体造成污染的发生源。 一般工业污染源和生活污染源产生的工业废水和
造成河流、水库、湖泊等水体污染甚至富营养化。
主要特点：
①污水面广、分散、难收集、难治理。 ②含有机质，植物营养素及病原微生物高， 悬浮物及杂质含量高 ③含较高的化肥、农药
过量施用农 药污染水体
过量施用化 肥污染水体
三、水体污染物
造成水体的水质、底质、生物质等的质量恶化或形
成水体污染的各种物质或能量均可成为水体污染物。
《地球化学》章节笔记
《地球化学》章节笔记第一章：导论一、地球化学概述1. 地球化学的定义：地球化学是应用化学原理和方法，研究地球及其组成部分的化学组成、化学性质、化学作用和化学演化规律的学科。
它是地质学的一个分支，同时与物理学、生物学、大气科学等多个学科有着密切的联系。
2. 地球化学的研究对象：- 地球的固体部分，包括岩石、矿物、土壤等；- 地球的流体部分，包括大气、水体、地下水等；- 地球生物体，包括植物、动物、微生物等；- 地球内部，包括地壳、地幔、地核等。
3. 地球化学的研究内容：- 地球物质的化学组成及其时空变化；- 地球内部和外部的化学过程；- 元素的迁移、富集和分散规律；- 地球化学循环及其与生物圈的相互作用；- 地球化学在资源、环境、生态等领域的应用。
二、地球化学的研究方法与意义1. 地球化学的研究方法：- 野外调查与采样：包括地质填图、钻孔、槽探、岩心采样等；- 实验室分析：包括光学显微镜观察、X射线衍射、电子探针、电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）、原子吸收光谱（AAS）等；- 地球化学数据处理：包括统计学分析、多元回归、聚类分析等；- 地球化学模型：建立地球化学过程的理论模型和数值模型；- 同位素示踪：利用稳定同位素和放射性同位素研究地球化学过程。
2. 地球化学研究的意义：- 揭示地球的形成和演化历史；- 了解地球内部结构、成分和动力学过程；- 探索矿产资源的形成机制和分布规律；- 评估和治理环境污染问题；- 理解地球生物圈的化学循环和生态平衡；- 为可持续发展提供科学依据。
三、地球化学的发展历程与现状1. 地球化学的发展历程：- 起源阶段：19世纪初，地质学家开始关注矿物的化学组成；- 形成阶段：19世纪末至20世纪初，维克托·戈尔德施密特等科学家奠定了地球化学的基础；- 发展阶段：20世纪中叶，地球化学在理论、方法、应用等方面取得显著进展；- 现代阶段：20世纪末至今，地球化学与分子生物学、环境科学等学科交叉，形成新的研究领域。
环境地球化学
环境地球化学[文档模板：环境地球化学]一、文档简介本文档主要介绍环境地球化学的相关内容，包括环境地球化学的定义、环境地球化学的研究内容、环境地球化学的应用等方面的内容，旨在提供有关环境地球化学的全面知识和丰富经验，为环境地球化学的研究工作提供参考和指导。
本文档的主要受众为从事环境地球化学研究工作的科研人员和学生。
二、环境地球化学的定义环境地球化学是研究地球与环境相互作用过程中发生的化学现象和地球化学过程的学科。
环境地球化学研究的内容包括环境污染物的来源、转化与归宿、环境中物质循环和行为以及人类活动对环境的影响等。
三、环境地球化学的研究内容1. 环境污染物的来源与转化环境污染物是指引起环境污染的物质，通常包括大气污染物、水污染物、土壤污染物等。
环境污染物会对生态环境以及人类健康造成不良影响。
环境地球化学研究环境污染物的来源、转化和传输过程，为环境污染物的治理提供科学依据。
2. 环境中物质循环与行为环境中的物质循环是指物质在环境中的不断传输、转化和再生的过程。
环境地球化学研究环境中物质循环的机制、规律和影响因素，为环境中物质循环的控制提供科学依据。
3. 人类活动对环境的影响人类活动在短时间内对环境造成的影响可能会对长时间的生态平衡造成不可逆的破坏。
环境地球化学研究人类活动对环境的影响机制和影响程度，为人类活动的可持续发展提供科学依据。
四、环境地球化学的应用环境地球化学有着广泛的应用领域，如环境污染治理、环境风险评估、环境保护等方面。
同时，环境地球化学的研究成果还可应用于资源勘查、生态环境保护和自然灾害预测等方面。
五、附件列表（此处列出本文档所涉及的附件，如：相关文献、研究报告、数据分析等。
）六、法律名词及注释（此处列出本文档所涉及的法律名词及注释，如：《中华人民共和国环境保护法》、《环境影响评价管理办法》等。
）七、实际执行中可能遇到的困难及解决办法（此处列举在实际执行过程中可能遇到的困难及解决办法，如：样品采集不当、实验数据异常等。
第四章湿地的生物地球化学循环
第四章湿地的⽣物地球化学循环第四章湿地的⽣物地球化学循环⽣态系统中物质的迁移和转化过程称为⽣物地球化学循环，它包括许多相互联系的物理、化学和⽣物过程第⼀节湿地⼟壤（⼀）基本特征湿地⼟壤既是湿地许多物质转化过程的媒介，同时⼜是⼤部分湿地植物可利⽤化学物质的主要贮存库，通常被称为⽔成⼟。
通常湿地⼟壤分为:矿质⼟壤和有机⼟壤。
当⼟壤中有机质(⼲重)含量⼩于20－35%时，可以认为它是矿质⼟壤壤（⼆）有机⼟壤有机⼟壤主要是由不同分解阶段的植物残体组成，由于静⽔或排⽔不畅导致的厌氧条件⽽造成累积。
有机物质的植物来源和⼟壤分解的程度是湿地有机⼟壤包括泥炭和腐殖⼟的两个重要的特征。
⼟壤有机物质的植物源可以是苔藓、草本植物、树⽊和落叶。
–如⼤部分北⽅泥炭湿地的⼟壤有机质来源于苔藓植物；–海岸盐沼湿地的⼟壤有机质可以来源于芦苇属，⽶草属的草本植物；–⽽有林湿地中，⼟壤有机质可以来源于⽊质碎屑或落叶。
湿地⼟壤的分解或腐殖化状态是有机泥炭的另⼀个重要特征。
在泥炭分解时，随着物质的进⼀步破碎化，⼟壤的容积密度增加，⽔⼒传导率下降，粗⼤纤维颗粒(>1.5 mm)含量减少。
可溶于⾮极性溶剂的物质和⽊质素随着分解的进⾏⽽增加，⽽纤维素化合物和植物⾊索则下降。
有机⼟壤通常分成四类：–腐殖⼟，分解的物质占2/3或更多，并且可被确定的植物纤维不到1/3。
–泥炭⼟，分解的物质不到1/3，并且可被确定的植物纤维超过2/3。
–腐殖泥炭⼟或泥炭腐殖⼟，介于腐殖⼟与泥炭⼟之间。
–薄层⼟，热带地区和北⽅⾼⼭地区积聚的过量⽔汽(降⽔量>蒸发蒸腾量）造成的有机⼟壤。
（三）矿质⼟壤矿质⼟壤在长期淹⽔条件下，通过铁、锰氧化物的还原、迁移和/或氧化会形成特有的氧化还原形态特征。
⽽其形成过程要受微⽣物作⽤的调节，其形成的速率取决于三个条件:–持续的厌氧条件。
–⾜够的⼟壤温度(5℃被认为是―⽣物学零点‖，低于这个温度，⽣物活动就会停滞或相当慢)。
《环境地球化学》教学大纲4.4
《环境地球化学》教学大纲课程名称：环境地球化学课程编号：S011034课程学时：32课程学分：2课程性质：学位课适用专业：环境科学，地球化学先修课程：环境科学、环境化学、地球科学概论大纲执笔人：教研室主任：课程简介《环境地球化学》为环境科学专业硕士研究生的一门学位课，主要介绍化学元素和微量物质在人类赖以生存的周围环境中的含量、分布特征和来源，生物—非生物复合系统中化学物质（包括营养物质，主要是针对污染物）的生物地球化学循环的基本过程（包括迁移、转化和保留等）与反应机制及其与人类健康的关系，揭示人为系统干扰下区域及全球环境系统的变化规律，为资源合理开发利用，环境质量有效控制及人类生存、健康服务。
重点介绍地表环境中典型有机物质（主要为痕量有机污染物）的来源、分布、地球化学循环（迁移、转化与归宿），以及有关全球性和区域性环境问题。
环境地球化学是环境地学和有机地球化学的一个重要分支。
本课程共分五章，第一章介绍痕量有机污染物的主要类型、分布特征及污染源分析；第二章介绍有机污染物环境地球化学循环；第三章介绍有机污染物的环境生态效应；第四章介绍有机污染物的微生物降解及环境污染修复；第五章介绍环境地球化学分析技术。
一、课程目的与要求《环境地球化学》为环境科学专业硕士研究生的一门学位课，课程的任务是介绍化学元素和微量物质（主要为痕量有机污染物）在人类赖以生存的周围环境中的含量、分布规律及来源，生物—非生物复合系统中化学物质（包括营养物质，主要是针对污染物）的生物地球化学循环的基本过程（包括迁移、转化和保留等）与反应机制及其与人类健康的关系，揭示人为系统干扰下区域及全球环境系统的变化规律，为资源合理开发利用，环境质量有效控制及人类生存、健康服务。
学生通过本课程的学习，熟悉地球表面有机污染物的类型、性质、分布和地球化学循环原理；了解环境地球化学研究进展；掌握有关环境地球学方面的科研方法和样品分析技术。
《环境地球化学》既是一门理论基础课，又是一门实践性都很强的课程，具有综合性、多样性、交叉性和实践性很强的特点，要求学生通过本课程的学习，不仅要熟悉有机污染物环境地球化学循环的基本原理，还必须能够形成运用所学知识解决有机污染物造成的实际环境科学问题思路，培养环境样品分析检测的能力和环境质量评价的科学方法。
第四章 同位素水文地球化学
2．零点能的概念：不同的同位素组成的分子具有一 些不连续的能级，其中最低的能级称之零点能。在 化学式相同的分子中，由轻同位素组成的分子的零 点能较大，而由较重同位素组成的分子的零点能较 小。这意味着含重同位素分子的基本振动频率较低， 要破坏一个含重同位素分子需要更多的能量。 一般来说，同位素的分馏效应与分子的平动能、转 动能和振动能都有关，但与温度有关的同位素分馏 效应却只取决于分子的振动能。
2．同一元素的同位素质量数不同，由它的形成 的不同化合物之间的物理化学性质存在差异。 例如：水由氢、氧同位素可以组成9种同位 素水分子类型，分子量为18的H216O分子在天然 水的含量中占绝对优势，而其它相对较重的同 位素水分子则以不等的痕量形式存在。H2O和 D218O的物理性质和分子量，密度、粘度以及一 些热力学性质，如：蒸汽压、熔点、沸点、生 成热、焓等）都存在明显的差别。
4. δ值：样品中两种稳定同位素的比值相对于某种 标准对应比值的千分差值：
δ(‰)=｛ （Rx—Rs）/ Rs ｝× 1000
例如：硫同位素以迪亚布洛峡谷铁陨石中陨 硫 铁 的 硫 为 标 准 (CDT) ， 这 个 标 准 硫 的 34S/32S=0.0450045。它的同位素组成相当于整个地 球的平均同位素组成。样品的δ34S为“+”时，表示 样品比标准富34S，相反表示贫34S。 定义δ值的目的在于： ① 因为自然界的稳定同位素组成的变化很微，用 δ值可以明显表示变化的差异； ② 便于全世界范围内数据大小的对比。
–
二、稳定同位素分类：
1．轻质量稳定同位素：氢、氧、碳、硫 特点：（1） 同位素组成变化大； （2） 同位素分馏的原因：在于元素 的物理化学和生物作用。 2．重质量数稳定同位素：锶、钕、铅等 特点：（1）同位素组成的变化相对小些； （2）同位素组成变化的原因，主要 是由于它们的放射性母体同位素的衰变所引起 的。
4第四章 水及水中同位素成分讲解
δ D=0‰
2、同位素组成表示方法 （2）同位素比值 指物质中某一元素的两种同位素含量之比 R=CA/CB 式中， C表示同位素含量 A—重同位素 B—轻同位素 例如RD =D/H R18O =18O/16O R34S =34S/32S 等
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4.1同位素基础知识
二、同位素组成及其表示方法和标准
2、同位素组成表示方法 （3）δ值（千分偏差值） 指物质中某一元素的两种同位素的比值相对于某一
种标准比值的千分差值：
δ(‰)=(R样—R标)/R标×1000‰ 式中 ： R样—样品中的同位素比值
R标—标准中的同位素比值 若δ(‰)>0表示样品比标准富含重同位素 δ(‰)<0 表示样品比标准富含轻同位素
3H, 14C, 13C/12C Radioactive decay
18O/16O, 2H/1H
4.1同位素基础知识
二、同位素组成及其表示方法和标准
1、同位素组成
物质中，某元素的各种同位素的相对含量，即为该 物质中该元素的同位素组成，如：水分子中，氢元素有 二种稳定同位素: 11H、21H ，这二种同位素在水中的相对 含量，即为水的同位素组成。
Hydrogeochemistry
水文地球学
东华理工大学水文地球化学课程组
本章内容
4.1 同位素基础知识 4.2 氢氧稳定同位素 4.3 氢的放射性同位素—氚 4.4 碳同位素 4.5 硫同位素成分 4.6 同位素在水文地质学中的应用
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环境同位素，包括自然环境中原本存在的天然同位 素和在各种人工核反应过程中，自然进入天然环境的人 工同位素，如：核反应堆。
环境水文地质作用第四章
C I Dz , z
3 z
（4-4）
式中： I x3 , I y3 , I z3 , x, y, z 方向上由弥散作用所导致的污染物质量通量
Dx , D y , Dz , x, y, z方向上的弥散系数；
式中： f x , f y , f z —x、y和z方向上的污染物推流迁移通量；
u x , u y , u z —环境介质在x、y、z方向上的流速分量；
C——污染物在环境介质中的浓度。
1.2、分散作用
污染物在环境介质中的分散 作用包含三个内容：
1）分子扩散
分子扩散 湍流扩散 弥散
是由分子的随机运动引起的质点分散现象。分子扩散过程服从斐 克(Fkk)第一定律，即分子扩散的质量通量与扩散物质的浓度梯 度成正比， C C C 即 I x ' Em x , I y ' Em y , I z ' Em z , （4-2） 式中
•
（1） 线性等温吸附方程
•
• • •
它最简单的数学表达式为：
S= kd.c ——平衡时液相溶质浓度(mg／L)； (9—1) 式中：--平衡时固相上被吸附溶质的浓度(mg／kg)；
•
•
——分配系数(或称线性吸附系数)(L／kg)。
与液相溶质浓度无关,实际上它是描述平衡时固液相溶质浓 度的分配比.对特定的固相物质和污染物来说，为常数。值 越大，越易吸附，越不易迁移，反之则相反。实际上实验 中所求得的Kd值，通常还包含沉淀等其他作用截留在固相 里的污染物，它是某种岩土对某一污染物亲和性的量度。 线性等温吸附线的另外一种表达式为： S=a+ kd.c 式中：a——截距。 (9—2)
C , x C , y C , z
《地球化学》课程笔记
《地球化学》课程笔记第一章：地球化学概述一、地球化学的定义与范畴1. 定义地球化学是研究地球及其组成部分的化学组成、化学作用、化学演化规律以及这些过程与地球其他物理、生物过程的相互关系的学科。
2. 范畴地球化学的研究范畴包括但不限于以下几个方面：- 地球的物质组成和结构- 元素在地球各圈层中的分布、迁移和循环- 岩石和矿物的形成、演化和分类- 生物与地球化学过程的相互作用- 地球表面环境的化学演化- 自然资源和能源的地球化学特征- 环境污染和生态破坏的地球化学机制二、地球化学的研究内容1. 地球的物质组成- 地壳：研究地壳的化学成分、岩石类型、矿物组成及其变化规律。
- 地幔：探讨地幔的化学结构、岩石类型、矿物组成和地球化学动力学过程。
- 地核：分析地核的物质组成、物理状态和地球化学性质。
- 地球表面流体：研究大气、水圈和生物圈的化学组成和演化。
2. 元素地球化学- 元素的丰度：研究元素在地壳、地幔、地核中的丰度分布。
- 元素的分布：分析元素在地球各圈层中的分布规律和影响因素。
- 元素的迁移与富集：探讨元素在地质过程中的迁移机制和富集条件。
- 元素循环：研究元素在地球系统中的循环路径和循环速率。
3. 岩石地球化学- 岩石成因分类：根据岩石的化学成分、矿物组成和形成环境对岩石进行分类。
- 岩浆岩地球化学：研究岩浆的起源、演化、结晶过程和岩浆岩的地球化学特征。
- 沉积岩地球化学：分析沉积物的来源、沉积环境和沉积岩的地球化学特点。
- 变质岩地球化学：探讨变质作用过程中岩石的化学变化和变质岩的地球化学特征。
4. 矿物地球化学- 矿物的化学成分：研究矿物的化学组成、晶体结构和化学键合。
- 矿物的形成与变化：探讨矿物的形成条件、变化过程和稳定性。
- 矿物物理性质与地球化学：分析矿物的物理性质与地球化学环境的关系。
- 矿物化学分类：根据矿物的化学成分和结构特点进行分类。
5. 生物地球化学- 生物地球化学循环：研究元素在生物体内的循环过程和生物地球化学循环的模式。
《水文地球化学基础》课件
结尾
1 总结和展望
总结本课程的核心观点，并展望水文地球化学研究的未来发展方向。
2 参考文献
列出本课程涉及的主要参考文献，供学生们进一步学习和探索。
第三章 - 水文地球化学研究方法
1 野外观测和实验室分析
介绍野外观测方法和实验室分析技术，以获取水体化学信息。
2 样品收集和处理技术
探讨水样的收集与处理策略，确保数据的准确性和可靠性。
第四章 - 水文地球化学的应用
1 水质评估和污染控制
介绍水质评估方法和污染控制措施，维护健康的水环境。
2 地下水资源管理
了解元素和化学反应的基本原理，掌握溶 解度和离子平衡等关键概念。
3 熟练掌握水文地球化学研究方法
4 应用水文地球化学研究于实际问题
学习野外观测和实验室分析技术，了解样 品收集和处理技术的应用。
了解水质评估和污染控制、地下水资源管 理等水文地球化学的应用领域。
第一章 - 水文地球化学基础概述
1 地球化学和水文学的关系
探讨地球化学和水文学的基本概念，以及它们之间如何相互关联。
2 水文地球化学的重要性
说明水文地球化学在环境保护、水资源管理等方面的重要作用。
第二章 - 地球化学基础知识
1 元素和化学反应
2 溶解度和离子平衡
介绍元素在地球环境中的分布和重要性， 以及水体中发生的化学反应。
解释溶解度和离子平衡对水体化学特性的 影响。
《水文地球化学基础》 PPT课件
这是《水文地球化学基础》课程的PPT课件，旨在介绍水文地球化学的基本 概念、关键知识和应用。掌握这些知识，有助于理解地球上水体的化学成分、 反应过程以及其对环境的影响。
环境地球化学研究与土壤污染治理
环境地球化学研究与土壤污染治理第一章环境地球化学研究的基础概念地球化学是研究地球系统中元素地球化学过程及其环境效应的学科。
环境地球化学是地球化学在环境科学领域的应用，主要研究地球系统中元素的循环、转化和迁移，以及元素对环境的影响和地球环境对元素的调节。
环境地球化学研究是对人类活动所导致的环境问题进行诊断和治理的重要手段之一。
第二章土壤污染及其影响因素土壤污染是指土壤中存在有害物质或其浓度超过环境质量标准的自然或人为引起的现象。
土壤污染主要是由于工业排放、农药使用、垃圾填埋、交通工具排放和矿产资源开发等人类活动所导致的。
土壤污染的影响因素包括土壤性质、环境因子、化学物质的性质、人为活动等。
第三章土壤污染物的来源与迁移土壤污染物的来源主要包括自然来源和人为活动来源。
自然来源的土壤污染物包括地壳中固有的放射性物质和一些天然有毒有害物质。
人为活动来源的土壤污染物包括工业废弃物、农药、重金属、有机污染物等。
土壤污染物在土壤中的迁移受到土壤性质、环境因子和化学物质的相互作用影响，其中土壤颗粒吸附是主要的迁移机制。
第四章环境地球化学分析技术环境地球化学研究需要借助各种分析技术来获得数据支持。
常用的环境地球化学分析技术包括电感耦合等离子体质谱仪（ICP-MS）、气相色谱-质谱联用（GC-MS）等。
这些分析技术可以对土壤中的元素和有机化合物进行快速、准确的检测和分析。
第五章土壤污染治理技术土壤污染治理技术包括物理治理、化学治理和生物治理等方法。
物理治理主要是通过土壤修复和固体废物处理等手段，将土壤中的有害物质彻底去除或隔离。
化学治理是利用化学反应来降低土壤中有害物质的浓度。
生物治理则是利用微生物、植物等生物体对有害物质进行转化和降解，以达到治理土壤污染的目的。
第六章土壤污染治理的策略与挑战土壤污染治理面临着挑战和困难。
首先，土壤污染问题的复杂性和多样性使得治理工作非常困难。
其次，土壤污染治理需要耗费大量的人力、物力和财力，治理成本较高。
环境地球化学知识点
环境地球化学知识点环境地球化学是研究地表、地下水和大气等环境中的化学物质分布特征、转化过程和生物地球化学循环等问题的学科。
它包括了环境中的元素循环、污染物的迁移和转化、环境控制和修复等内容。
下面将介绍一些环境地球化学的重要知识点。
1.元素循环：环境中的元素循环是指地球表层与地下水、大气等环境之间元素交换与转化的过程。
这些元素包括常见元素如碳、氮、氧、硫等，以及稀有元素如金、银、铜等。
元素循环对于维持地球生物圈的平衡和稳定起着重要作用。
2.污染物迁移和转化：环境污染物是指对于环境和生物体有害的物质。
它们包括有机污染物如农药、重金属和放射性元素等。
环境地球化学研究污染物在土壤、地下水和大气中的迁移、转化和积累过程，以及它们对生态系统和人类健康的影响。
3.环境控制：环境地球化学研究如何控制和减少环境污染物的排放和传播。
这包括技术控制如过滤和吸附技术，以及生物控制如植物吸收和土壤微生物降解等方法。
了解环境控制的原理可以帮助我们制定更有效的环境保护措施。
4.修复技术：环境地球化学研究环境修复技术，即通过物理、化学或生物技术将受污染的土壤、水体和大气恢复到良好状态的技术。
例如，使用土壤改良剂和生物堆肥可以改良污染土壤，或者使用氧化剂和还原剂可以降解有机污染物。
5.环境监测：环境地球化学在环境监测中发挥重要作用。
它可以帮助我们了解环境中污染物的浓度和分布，以及它们对生态系统和人类健康的影响。
利用环境监测数据，我们可以评估环境质量，并制定相应的管理策略。
6.生物地球化学循环：生物地球化学循环是指地球上生物体与环境之间的元素转化和循环过程。
通过光合作用，植物从大气中吸收二氧化碳，并将其转化为有机物。
接着，这些有机物通过食物链传递到其他生物体内，最终有机物会被分解为无机物，如二氧化碳、水和溶解态氮和磷等，这些无机物会再次进入环境。
7.地质化学：地质化学研究地球形成和演化过程中的各种化学反应和物质循环。
它涉及到矿物形成、岩石蚀变和沉积作用等过程。
第四章湿地生物地球化学
NO3- 进入细胞后需要先被还原为NH4+
NO3- + 2H+ + 2e NO2- + H2O (nitrate reductase) NO2- + 8H+ + 6e NH4+ + 2H2O (nitrite reductase)
土壤是陆地表面由矿物质、有机质、水、空气和生物组成，具有肥力， 能生长植物的未固结层。
Drained peatland subsides, becomes wetter and requires deeper and deeper drainage
Bavaria: 3 m loss since 1836 UK: 4 m loss since 1870
影响因素：水分、盐 度、温度、DO、氨 氮
4.反硝化作用
利用硝酸盐中的氧氧化有机底物，并将硝酸根还原为氮气，中间产物有氮的氧化物 NO3- + OM —— N2
影响因素：温度、盐度、DO、营养盐、有机质
5.厌氧氨氧化
厌氧氨氧化（Anammox）是指在厌氧条件下，微生物直接以NH4+作为电子 供体，以硝态氮或亚硝态氮作为电子受体，将其中的氮转变成N2的过程。 NH4+ + NO2- N2
• 有机质的数量和质量 • 微生物种群类型和数量 • 水位和土壤的氧化还原条件（含氧量） • 可用电子受体的情况 • 温度 • pH
碳循环要点总结
• 碳对于生命体十分重要，由于价态范围广(−4~+4)，能够形成多种化合物， 生物地球化学过程十分活跃和复杂。
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7、植物营养物
• 主要是指氮磷钾硫及其化合物。从农业角度看，植物营养物是宝
• 测定指标为TN、TP、NH4+、NO2－、NO3－、H2PO4－、HPO42－
贵的物质，但过多的营养物进入天然水体，将会产生很大的危害。
8、重金属
• 汞、铅、镉、镍、硒、砷、铬、铊、铋、钒、金、铂、银等。
• 对人、畜有直接的生理毒性。
《污水综合排放标准》
（GB8978-1996）
(3)一般保护水域，指国家《地表水环境质量标 准》（GB3838-2002）中的Ⅳ 、Ⅴ类水域和《 海水水质标准》 Ⅲ类水域，对排入该区水域 的污水执行二级标准。 (4)对排入城镇下水道并进入二能污水处理厂进 行生物处理的污水执行三级排放标准。
（3）胶体物质 溶质粒径为10-9m～10-7m时， 属于胶体溶液，根据胶体的性质又分为无机胶 体和有机胶体。 （4）悬浮物质 溶质粒径＞10-7m，为悬浊液 或悬浮液，根据物质性质分为细菌、藻类及原 生动物、泥沙、粘土和其他不溶物质。
天然水中溶解的化学物质可分为可溶性气体、主 要离子、生物成因物质、微量成分、有机质五大类。 (1) 可溶性气体 (2) 主要离子: • 氯离子; 硫酸根离子; 碳酸根离子；碳酸氢钙根离子 •钙、镁离子; 钾、钠离子 (3) 生物成因物质 (4) 微量成分 (5) 有机物
第四章 水环境地球化学
4.1 水体污染及其控制 4.2 污水的水质污染指标 4.3 水体的污染源
4.4 水质监测
4.5 天然水的化学平衡
我国水污染的特征
（一）污染不断加剧，水质恶化日趋严重
据2000年水质监测资料，对全国河流、湖 泊、水库的水质状况进行了评价，主要结果如 下：在11.4万公里评价河流中，水质为Ⅰ类水 河长占4.9％，Ⅱ类水河长占24.0％，Ⅲ类水河 长占29.8％，Ⅳ类水河长占16.1％，Ⅴ类水河 长占8.1％，劣Ⅴ类水河长占17.1％。全国符合 和优于Ⅲ类水的河长占评价河长的58.7％，比 上年减少了3.7个百分点。
我国水污染的特征
（三）湖泊水库水体富营养化不容轻视
水库水质在评价的139座主要水库中，有 118座水库水质良好，达到Ⅱ、Ⅲ类水质标准。 在未达到地面水Ⅲ类的水库中，水污染极为严 重的劣于Ⅴ类水质水库有8座，分别是山西册田 和关河水库，山东墙夼、雪野、黄前、尼山和 田庄水库以及新疆柳沟水库。对93座水库进行 了营养化程度评价，处于贫营养状态的水库14 座，处于中营养状态的水库65座，处于富营养 状态的水库14座。
2、有机物浓度
• 生 物 化 学 需 氧 量 ， 用 BOD 表 示 （ Biochemical oxygen demand ），是指在有氧的条件下，由于微生物的作用， 水中能分解的有机物质完全氧化分解时所消耗的量。目前 规定在 20℃下，培养 5 天作为测定标准，这时候测得的生 化需氧量称为5日生化需氧量，以BOD5表示。
5、酸碱 6、细菌污染
• 细菌总数 水中所含细菌的总数，以个/mL表示。
• 大肠杆菌数水中水中所含大肠杆菌的总数，以
个/L表示。
• 游离氯水中所含游离氯离子的含量，以 mg/L表示。 • 污水中大部分细菌寄生在死亡机体上，这些细菌 是无害的；另一部分细菌，如霍乱、伤寒、痢疾 等则寄生在活的有机体上，对人、畜是有害的。
我国水污染的特征
（三）湖泊水库水体富营养化不容轻视
湖泊水质在评价的24个湖泊中，9个湖泊 水质符合或优于Ⅲ类水，4个湖泊部分水体受到 污染，11个湖泊水污染严重。国家重点治理的 “三湖”情况为：太湖Ⅱ、Ⅲ类水质断面占12％， Ⅳ类水质断面占64％，Ⅴ类水质断面占12％，劣 于Ⅴ类水质断面占12％；中营养水平的水域占太 湖总面积的16.5％，富营养水平的占83.5％，富 营养程度比上年略有加重。
《地表水环境质量标准》 （GB3838-2002）
依据地表水水域环境功能和保护目标， 按功能高低依次划分为五类：
I类 主要适用于源头水、国家自然保护区； Ⅱ类 主要适用于集中式生活饮用水地表水源地 一级保护区、珍稀水生生物栖息地、鱼虾 类产卵场、仔稚幼鱼的索饵场等；
《地表水环境质量标准》 （GB3838-2002）
Ⅲ类 二 产 主要适用于集中式生活饮用水地表水源地
级保护区、鱼虾类越冬场、泅游通道、水
养殖区等渔业水域及游泳区； 主要适用于一般工水区及一般景观要求水
IV类 接
《污水综合排放标准》
（GB8978-1996）
按排放污染物的性质分为两类污染物: (1)第一类污染物指能在环境或动植物体内积累， 对人体健康产生长远不良影响。（要求一律在 车间或车间处理设施排出口采样，最高允许排 放浓度必须符合表3－5,不得用稀释法处理） (2)第二类污染物指长远影响小于第一类污染物 质。（要求在排污单位排放口采样，最高允许 排放浓度必须符合表3－6，可用稀释法处理）
水体自净和水体环境容量
自净能力决定着水体的环境容量（洁净水体所能 承载的最大污染物量）。 水解酶 生活污水（淀粉、蛋白质、脂肪等） 好氧菌 氨基酸、脂肪酸、甘油、低分子糖
CO2、H2O、无机盐
水体的自净作用分为三类：
（根据净化机制）
(1)物理净化：天然水体的稀释、扩散、沉淀和 挥发等作用，使污染物质的浓度降低。 (2)化学净化：天然水体的氧化还原、酸碱反应、 分解、凝聚等作用，使污染物质的存在形态发 生变化和浓度降低。 (3)生物净化：天然水体中的生物活动过程，使 污染物质的浓度降低。特别重要的是水中微生 物对有机物的氧化分解作用。
• 用含有重金属的水来灌溉庄稼，会使作物受到重金属污染，致使 农产品有毒性。 • 沉积到水体底部，通过水生植物或微生物进入食物链，经鱼类等 水产品进入人体。
9、放射性污染
10、难降解有机污染物
11、无机盐、致癌物质 12、热污染 13、水的表现 14、恶臭
3.2.2水质标准
GB3097-1997 海水水质标准 GB/T14848-93 地下水质量标准 CJ3020-93 生活饮用水水源水质标准 GB5084-92 农田灌溉水质标准 GB12941-91 景观娱乐用水水质标准 GB11607-89 渔业水质标准 GB5749-85 生活饮用水卫生标准 GB3838-2002 地表水环境质量标准
例题：
• 某废水20 ℃时的BOD5是150mg/L。 已知此时的耗氧速率常数k1 = 0.10d-1， 求该废水15℃时的BOD5。
4、pH值
• pH值表示水中氢离子浓度的负对数值。
• 污水中的 pH 值对污染物的迁移转化、污水 处理厂的污水处理、水中生物的生长繁殖 等均有较大的影响，因此是重要的污水指 标之一。
3.1.3水体污染物与来源
水体污染分类
无机物质污染 无机有毒物质污染 有机有毒物质污染 化学性污染 需氧物质污染 植物营养 物质污染 油类污染 悬浮物质污染 物理性污染 热污染 放射性污染
生物性污染
3.2 污水的水质污染指标与水质标准 3.2.1 污水的水质污染指标
• 1. 物理性水质指标 • 温度、色度、嗅和味、浑浊度、透明度、总固 体、悬浮固体、溶解固体、可沉固体、电导率 • 2. 化学性水质指标 • 有毒化学性水质指标 • 氧平衡指标：DO、COD、BOD、TOD • 3. 生物学水质指标 • 细菌总数、总大肠菌群数、病原细菌、病毒
要。例如，重金属污染物易于从水中转移到底泥里，水中的重
金属含量一般都不高，若着眼于水，似乎水污染并不严重，但 是从整个水体看，污染就可能很严重。可见，水体污染不仅仅 是水污染，还包括底泥污染和水生生物污染。
水体自净
正常情况下，当水体接纳了一定量的有机污 染物后，在无人干预条件下，借助于水体自身的 调节能力使污染物浓度不断降低，最后水质恢复 到污染前的水平和状态，我们把水体的这种自我 净化作用叫作水体自净。
3、溶解氧DO
• 溶解氧溶解于水中的游离氧称为溶解氧 (dissolved oxygen)即DO，以O2 mg/L表示。
• DO 是水质的重要参数之一，也是鱼类等水 生动物生存的必要条件。 DO 完全消失或其 含量低于某一限值时，就会影响到这一生态 系统的平衡。水中 DO 耗尽后，有机物将进 行厌氧分解，产生H2S、NH3 和一些有难闻 气味的有机物，使水质进一步恶化。
1、悬浮物SS • 固体含量分为总固体c悬浮性固体（SS）和溶解性 固体三种。总固体是指在一定温度下蒸发干燥后 所残余的固体物质总量；悬浮性固体（SS）是指 水样过滤后，截留物蒸干后的残余固体量，即悬 浮物含量；溶解性固体是指水样过滤后，滤出液 蒸干的残余固体量。溶解性固体若除去有机物部 分可称为含盐量和矿化度。 • SS是水体污染的基本指标之一。
表3-5 第一类污染物最高允许排放浓度
表3-6 第二类污染物最高允许排放浓度
《污水综合排放标准》
（GB8978-1996）
执行标准等级的确定：
(1)特殊保护水域，指国家《地表水环境质量标 准》（GB3838-2002）中的Ⅰ、Ⅱ类水域，不 得新建排污口，现有的排污单位由地方环保 部门从严控制，以保证受纳水体水质符合规 定用途的水质标准。 (2)重点保护水域，指国家《地表水环境质量标 准》（GB3838-2002）中的Ⅲ类水域和《海水 水质标准》 Ⅱ类水域，对排入该区水域的污 水执行一级标准。
• 固体物会淤塞排水道，窒息水底栖生物，破坏鱼类 的产卵地。 • 悬浮小颗粒物会堵塞鱼类的腮，使之呼吸困难，导 致死亡。
• 颗粒物含量高时会使水中植物因见不到阳光而难以 生长或死亡。
• 悬浮固体物会降低水质, 增加净化水的难度和成本。
• 现代生活垃圾中的难降解固体成分（如塑料包装） 进入水体之后, 会使水生动物误食后死亡。
我国水污染的特征
（二）各流域水体自南向北水质逐渐变差
各流域片的水质状况是：内陆河片、西南 诸河片、东南诸河片、长江片和珠江片水质良 好或尚可，符合和优于Ⅲ类的河长分别占90.7 ％、83.2％、74.1％、74.0％、63.1％；黄河 片、海河片、松辽河片、淮河片水质较差，符 合和优于Ⅲ类的河长分别占46.7％、34.9％、 33.7％、26.2％。与上年相比，符合和优于Ⅲ 类水河长占评价河长百分数上升5个百分点以 上的是淮河片，下降明显的是珠江片。