5 水文地球化学过程-Hydrochemical process
关中盆地潜水水文地球化学演化机理-精选文档
关中盆地潜水水文地球化学演化机理地下水是人们赖以生存的宝贵资源，特别是在干旱、半干旱地区，地下水对人们生活和工农业的生产、发展具有重要的意义[12]。
地下水的水文地球化学特征是地区环境特征的重要参数，也是用来研究地下水质量的重要方法。
聚类分析、相关分析、主成分分析和地下水化学成分分析（Piper图）等多种方法被用来研究地下水水文地球化学在空间上的分布规律[35]。
研究表明，其空间分布规律是自然因素和人为因素相互作用的结果[6]。
类似的，水文地球化学沿地下水流程演化，并受到居民和农业生产活动的影响[7]。
PHREEQC等一些软件也被用来模拟水文地球化学演化进程。
KyuYoul Sung等[8]研究了地下水在花岗岩层中的水文地球化学演化，发现水化学类型从最初的ClCa型水（雨水），经浅层的HCO3Ca型水，演化为深层的HCO3Na型水。
Christian Ekberg等[9]讨论了水岩反应系统中溶解性计算的几个不确定性，包括实验数据的不确定性及概念的不确定性等。
同位素的方法也被用来研究地下水循环和水文地球化学场的演化[10]，2H、18O和14C为常用示踪元素。
关中盆地位于陕西中部，总面积约2万km2，属于半干旱、半湿润季风气候。
地下水是该区工农业发展和居民生活用水的重要支撑，目前，多以开发利用浅层地下水为主[11]。
关中盆地蕴藏着丰富的地下水，地表水（雨水、河水）是其主要的补给来源[12]。
随着污染加剧、经济快速发展以及管理不当[1314]，造成地表水的水量贫乏，水质急剧恶化，人们便开始寻求开发利用地下水[15]。
故本文旨在对关中盆地浅层地下水水文地球化学空间分布特征进行研究，以多种方法相结合，定性定量的描述水文地球化学过程，并阐述其机理，为地下水的合理利用与开发、饮水安全以及水质改良提供可靠依据。
1研究区概况关中盆地位于陕西省中部，是一个三面环山、东面敞开的盆地，西起宝鸡，东至潼关，南依秦岭，北靠北山。
环境水文地球化学.
专题讲座
吉林大学环境工程系
2014年5月
水文地质学系统结构
含水层性质
岩性
水动力性质
补给 重 力 径流 水压力 应 力 排泄
地层
地貌 构造
水文地球化学
孔隙介质
裂隙介质
岩溶介质
双重介质
环境水文地球化学
污染质在地下环境中的主要衰减作用
Where: rb = soil bulk density [g/cm3] rn = NAPL bulk density[g/cm3] n = porosity TPH = Total Petroleum Hydrocarbons [mgNAPL/kgdry soil]
rb TPH rn n 10 6
机械过滤 吸附交替作用 溶解、沉淀作用 生物作用
对流、弥散作用
生物地球化学作用
第一讲 污染物的生物地球化学降解
Biogeochemical Degradation f Pollutants
1. 污染物生物地球化学降解原理
（1）地下环境中的主要氧化还原物质
地下环境氧化还原系统中主要包括气体（O2、N2、CH4、CO2）、 溶解性组分（NO3-、NH4+、CH2O、Fe2+、Mn2+、SO42-、HS-、H+）、 固体（FeOOH、MnO2、FeCO3、MnCO3）和存在于固体中的离子交 换态组分（Fe2+、Mn2+、NH4+）。
KJ/molCH2O
-475 -448 -349 -114 -77 -58
1. 污染物生物地球化学降解原理
水文地球化学PPT总结(东华理工大学)
第一章绪论第二章水溶液的物理化学基础一、水的结构2.水分子的内部结构原子结构理论表明，H2O分子呈V形结构，H-O键的夹角为104°45′，键长为0.96Å（1Å=10-10m）2.水分子的内部结构由于氧的电负性为3.5，氢的电负性为2.1，（中性原子接受电子的能力，称为电负性）这种差异导致了H、O形成共价键。
由于氧的电负性大，所以共价电子偏向氧原子，这样使氧带有部分负电性，氢还有部分正电性，这就造成了极性共价键。
由这种极性共价键所形成的分子称为极性分子。
3.电负性(E)电负性就是原子在化合成分子时把价电子吸引向自己的能力。
规定氟的电负性为4.0，并以此为标准求出其它元素的电负性。
电负性小于2.0时，多数元素显金属性，大于2时，多数元素显非金属性。
铀的电负性为1.7，显金属性。
U4+的电负性为1.4，U6+为1.9，U4+的金属性较U6+强。
电负性差值大于2的两个元素化合时，多数形成离子键化合物，电负性差值小于2时，多数形成共价键的化合物。
由于电负性影响化合物的键性，而化学键的性质又影响到化合物的许多物理化学性质，如硬度、光泽，溶解度等，所以电负性对元素的迁移和沉淀也有影响。
3.水分子间的联结水分子间是靠氢键联结起来的。
所谓氢键是一种因静电吸引作用而产生的附加键，所以一个水分子中的氢原子，在保持同本分子中氧原子的共价键的同时，又能同相邻水分子中的氧原子产生一种静电吸引力。
这样水分子就有具有了两种类型的键：（1）存在于水分子内部的极性共价键；（2）存在于水分子之间的氢键。
3.水分子间的联结水分子间的氢键联结，使水分子相互缔合形成巨型分子（H2O）n，水分子的这种缔合强度取决于温度，一般温度越低，缔合程度越稳定，4℃时，水的缔合程度最大，此时达到最大密度。
在250～300℃时，n接近1，即水具有H2O形式。
水分子在缔合过程中不会引起化学性质的变化。
这种由单分子水结合成多分子水而不引起水的化学性质改变的现象，称为水分子的缔合作用。
水文地球化学电子教案
水文地球化学电子教案第一章：水文地球化学概述1.1 水文地球化学的定义1.2 水文地球化学的研究对象和内容1.3 水文地球化学的发展简史1.4 水文地球化学的重要性第二章：水文地球化学基本概念2.1 地球化学的基本概念2.2 水的性质和分类2.3 地下水的形成和运动2.4 水文地球化学循环第三章：水文地球化学元素与同位素3.1 元素的性质和分布3.2 常见元素的水文地球化学行为3.3 同位素的水文地球化学应用3.4 元素和同位素在水文地球化学研究中的应用第四章：水文地球化学分析方法4.1 水文地球化学样品的采集与处理4.2 水文地球化学分析技术4.3 数据处理与质量控制4.4 水文地球化学分析方法的进展与挑战第五章：水文地球化学应用实例5.1 地下水污染的水文地球化学研究5.2 地下水资源评价与管理5.3 环境水文地球化学问题5.4 水文地球化学在工程中的应用第六章：水文地球化学循环与地球化学过程6.1 水文地球化学循环的基本原理6.2 岩石圈-大气圈-水圈-生物圈之间的水文地球化学循环6.3 地球化学过程在水文地球化学研究中的应用6.4 典型水文地球化学循环案例分析第七章：水文地球化学野外调查与采样技术7.1 野外调查的基本方法7.2 地下水采样技术7.3 岩石和土壤样品的采集7.4 数据处理与质量保证第八章：水文地球化学实验室分析技术8.1 常用实验室分析方法概述8.2 岩石和矿物分析8.3 水质分析8.4 同位素分析技术第九章：水文地球化学模型与应用9.1 水文地球化学模型的类型与构建9.2 地下水流动模型9.3 污染物迁移与转化模型9.4 水文地球化学模型在环境管理中的应用第十章：水文地球化学在我国的应用案例研究10.1 我国水文地球化学研究概况10.2 典型地区水文地球化学特征分析10.3 地下水资源评价与保护案例10.4 环境水文地球化学问题研究与治理案例第十一章：水文地球化学与环境健康11.1 水文地球化学与水质关系11.2 地下水中有害元素的来源与迁移规律11.3 水文地球化学指标在环境健康评估中的应用11.4 环境健康案例分析第十二章：水文地球化学在农业领域的应用12.1 农业水文地球化学背景12.2 土壤-植物系统中元素迁移与富集12.3 农业水文地球化学调查与评价方法12.4 农业水文地球化学应用案例第十三章：水文地球化学在能源领域的应用13.1 能源水文地球化学概述13.2 地下水资源在能源开发中的作用13.3 能源开发活动对水文地球化学的影响13.4 能源水文地球化学案例分析第十四章：水文地球化学在灾害防治中的应用14.1 地质灾害的水文地球化学因素14.2 水质预测与灾害预警14.3 水文地球化学在地质灾害防治中的应用14.4 灾害防治案例分析第十五章：水文地球化学研究的前沿与挑战15.1 水文地球化学研究的新技术与发展趋势15.2 跨学科研究在水文地球化学中的应用15.3 水文地球化学在全球变化研究中的作用15.4 未来水文地球化学研究的挑战与机遇重点和难点解析本教案全面覆盖了水文地球化学的基本概念、研究方法、应用领域及前沿挑战。
水文地球化学
3.氧化还原电位
在标准状态下处于同一水溶液中时，将发生下述的 氧化还原反应： Br2+2Fe2+＝2Br-+2Fe3+
电流是从Br2流向Fe2+的,电流之所以能够发生，是因为 有电位差的存在，在该反应中的电位差等于电极Br2︱ Br-的电位减去电极Fe3+︱ Fe2+的电位
反应的电位差Eh等于：
3. 微生物及有机物的影响
微生物参与下所发生的有机物氧化反应的主要特征 是：
（1）这是一类以微生物为催化剂的生物化学过 程，因此与温度有密切的关系；
（2）当有机物含量有限时，主要进行有氧氧化， 产物为H2O、CO2、NO3-、SO42-等；
（3）当有机物输入量很大时，主要进行缺氧分 解，产物一般为NH3、CH4、H2S等。
在标准状态下有：
pE 1 lg K 16.89 E n
E 0.059 pE
pE⊙为标准电子活度 ,电子活度也是一个反映电极中氧化态 和还原态物质得失电子能力相对强弱的量。
二、氧化还原强度及水的稳定场
在标准状态下，电极的pE⊙越大，其氧 化态物质得到电子的能力越强，是强氧 化剂；电极的pE ⊙越小，其还原态物质 越容易失去电子，是强还原剂。
➢ 在地下水与含水层岩土介质的长期接触过程中，吸 附作用对地下水化学成分的形成和迁移、特别是污 染溶质的迁移具有非常重要的控制作用。
第五节 吸附解析及离子交替吸附作用
• 吸附剂：对气体与液体中的物质具有吸附作用的固体物质 • 吸附质：被吸附的气体和液体中的物质 • 吸附态：吸附质在固体表面被吸附以后的状态 • 吸附中心：发生吸附作用的吸附剂表面的局部位置 • 解吸附作用：吸附在固体表面的吸附质进入液相或气相，
第四章 水的地球化学循环及水文地球化学分带
1 地壳中水的地球化学循环 地壳中水的地球化学循环 1.1 水在地球中的全循环 地壳中水的全循环包括水文循环及地质循环。 地壳中水的全循环包括水文循环及地质循环。 我们已经比较熟悉水文循环。 我们已经比较熟悉水文循环。
1.2 地壳中水的地球化学循环 地壳中水的地球化学循环 水的地球化学循环总是和水循环紧密相联的。 水的地球化学循环总是和水循环紧密相联的。 水的地球化学循环：在沉积 变质作用有次序有 水的地球化学循环：在沉积-变质作用有次序有 方向性的发展过程中，水直接参与岩石、 方向性的发展过程中，水直接参与岩石、有机物 质及气体经历的地球化学作用，并被分解、 质及气体经历的地球化学作用，并被分解、合成 等作用与现象的总和。 等作用与现象的总和。 水是通过分解和合成实现其在地壳中的地球化 学循环的。 学循环的。
Hale Waihona Puke CaCa沉积盆地承压含水层地下水化学成分正垂直分带
沉积盆地承压含水层地下水化学成分反垂直分带（ ） 沉积盆地承压含水层地下水化学成分反垂直分带（1） 两个承压含水层地下水补给条件不同） （两个承压含水层地下水补给条件不同）
灰岩
粉砂岩
沉积盆地承压含水层地下水化学成分反垂直分带（ ） 沉积盆地承压含水层地下水化学成分反垂直分带（2） 两个承压含水层由渗透性不同的岩石组成，下部大于上部） （两个承压含水层由渗透性不同的岩石组成，下部大于上部）
正垂直分带：矿化度随深度增加而增加， 正垂直分带：矿化度随深度增加而增加，水化学成分也按着水 平分带中的更替次序而变化； 平分带中的更替次序而变化； 反垂直分带：上部高矿化度水下面埋藏着低矿化度水， 反垂直分带：上部高矿化度水下面埋藏着低矿化度水，在它们 下面，水的矿化度随深度重新增加； 下面，水的矿化度随深度重新增加； 复杂垂直分带： 复杂垂直分带：水的矿化度随深度增加不只一次的增加或减少
水文地球化学
By Prof. Dr. Sun Zhanxue
1
Chapter 1 Introduction and chemical background 引言与化学背景
2
LEARNING OBJECTIVES
Review basic fundamentals of chemistry. Understand commonly used concentration units and unit conversions. Learn to calculate and understand the significance of water hardness and charge-balance error. Be introduced to some common ways of graphically displaying natural water compositions.
9
•1979年 H.Φ.沃兹娜娅 《水化学与微生物学》 •1982年G. Matthess 《The Properties of Groundwater》 •1988年 J.I. Drever 《The Geochemistry of Natural Waters》 （第二版）（1997已出第三版） •1988年 R.M. Pytkowicz 《平衡非平衡与天然水》 •1989年 J.D. Hem 《Study and interpretation of the chemical characteristics of natural water》 •1994 年 C.A.J. Appelo & D. Postma 《Geochemistry, Groundwater and Pollution》 •1996年 W. Stumm & J.J. Morgan 《Aquatic Chemistry》 •1997 年 Langmuir, AQUEOUS ENVIRONMENT GEOCHEMISTRY
水文地球化学电子教案ppt课件
病原体侵入机体，消弱机体防御机能 ，破坏 机体内 环境的 相对稳 定性， 且在一 定部位 生长繁 殖，引 起不同 程度的 病理生 理过程
二、植物-土壤影响阶段
土壤的氧化还原条件改变金属元素的价态
– 氧化条件下
As、Fe、Mn形成难溶化合物，阻碍其随地下水迁移，并减小了对 农作物的危害
Cr、Zn、Cu、Cd形成易溶化合物，有利于其随地下水迁移，并 加强了对农作物的危害
– 水文地球化学分带性——地下水化学成分在空间变 化的规律性
自然地理分带——水平分带 地质分带 ——垂直分带
病原体侵入机体，消弱机体防御机能 ，破坏 机体内 环境的 相对稳 定性， 且在一 定部位 生长繁 殖，引 起不同 程度的 病理生 理过程
表生带地下水的平均化学成分特征
渗入成因的溶滤潜水
病原体侵入机体，消弱机体防御机能 ，破坏 机体内 环境的 相对稳 定性， 且在一 定部位 生长繁 殖，引 起不同 程度的 病理生 理过程
表生带地下水化学成分特征
表生带地下水的分带性受下列因素影响
– 一级因素：气候 – 二级因素：植被 – 三级因素：岩性
气候是控制表生带地下水分带性最宏观一级的 因素
二、植物-土壤影响阶段
经过植物-土壤的地下水的特征
– 含有数量可观的碳酸 – 未被氧化的有机化合物的进一步分解将使水中碳酸进一步提高 – 相对于碳酸盐矿物与原生铝硅酸盐矿物，远未达到饱和状态，
即具有强溶解能力；
上述特征决定了地下水具有很强的与围岩介质发 生反应的能力。
病原体侵入机体，消弱机体防御机能 ，破坏 机体内 环境的 相对稳 定性， 且在一 定部位 生长繁 殖，引 起不同 程度的 病理生 理过程
第四讲 地下水化学成分的形成与特征
水文地球化学
水文地球化学：一种地理知识的探索水文地球化学，有时也被称为水地球化学，是一门研究地球系统中水的化学特性和水与岩石、土壤及大气之间相互作用的学科。
它既是地理学的一个分支，也是地球科学的一个组成部分。
下面，我们将从定义、发展历程、研究内容以及意义等几个方面来详细了解水文地球化学。
一、定义水文地球化学主要研究的是地球上水的化学特性，包括水的来源、分布、循环以及其与岩石、土壤和大气的相互作用。
这种研究涵盖了从宏观的全球水循环到微观的局部环境下的水化学变化。
二、发展历程水文地球化学的发展历程与地理学和地球科学的发展紧密相连。
它起源于19世纪中叶的矿泉水研究，那时，科学家们开始研究水的化学成分以及其对人类和动植物的影响。
到了20世纪，随着环境科学和地球科学的发展，水文地球化学的研究范围逐渐扩大，涵盖了地下水、土壤水、河水、湖水以及海水等多种类型的水。
三、研究内容水文地球化学的研究内容包括：1.水循环过程中的化学变化：这包括雨雪、河流、湖泊、地下水以及海洋等不同类型的水体的化学特性及其变化。
2.岩石与土壤对水质的影响：岩石和土壤中的矿物和有机质会与水发生反应，改变水的化学特性。
这种影响在地理环境的塑造中起到了关键的作用。
3.水与大气的相互作用：大气中的气体和颗粒物与水相互作用，影响了水的化学特性和质量。
4.水污染的来源与影响：人类活动造成的污染对水质产生了严重影响，水文地球化学也包括了对这些污染物的来源和影响的研究。
5.水资源的管理和保护：对于一个可持续的生态系统来说，对水资源的合理管理和保护至关重要。
因此，水文地球化学也包括对水资源的管理和保护策略的研究。
四、意义水文地球化学的研究对于我们理解地球上的水循环、环境变化以及人类活动的影响具有重要意义。
它不仅帮助我们了解水的来源和分布，也帮助我们预测和管理水资源。
在当今全球水资源紧张和环境问题日益严重的情况下，对水文地球化学的深入研究尤为重要。
总结来说，水文地球化学是地理学和地球科学的一个重要分支，它为我们提供了深入理解地球上水的化学特性和其在环境中的作用的知识。
水文地球化学
易混淆的几种地下水沉积物
硅华：由于压力降低或温度下降， SiO2的溶解度随之降低形成
碳酸盐矿物的溶解度取决于CO2分压，pH值，温度等， 一般而言， CO2分压越高、温度越低，气体在水中的溶 解度越大，如CO2分压降低则发生脱碳酸作用，形成钙 华
硫华： 地下水中的H2S由于与大气环境接触而被氧化， 析出单质硫
水文地球化学基础
地下水在运移过程中，与介质发生多种多样的物理化学 反应，其中包括溶解/沉淀、碳酸平衡、吸附/解吸及氧 化还原等。依据地质、水文地质条件不同，这些作用往 往控制着一个地区地下水的化学成分。
与地下水化学组分形成有关的主要地球化学过 程
溶解与沉淀过程 氧化还原过程 离子交换过程 蒸发浓缩过程 混合过程 生物化学过程（微生物参与）
“碱度”的概念：指水中所含能与强酸发生中和作用的全部物质的量。 水中产生碱度的物质主要有碳酸盐碱度、碳酸氢盐碱度以及由氢氧化物 存在和强碱弱酸盐水解而产生的氢氧化物碱度。所以，碱度是表示水中 CO32-、HC3-、OH-及其他一些弱酸盐类的总和。但在天然水中，碱度 主要是由HCO3-的盐类所组成。
水溶液中pH = 8.34时，是一个有意义的临界点，在该点 HCO3-达最高值，占97.99446%，记为pH0；
当pH = pH0时，H2CO3含量甚微，仅占总碳酸的1%；CO32含量甚微，也仅占总碳酸的1%，常规的分析方法不能检出； 所以， pH0是检查分析结果可靠性的一个标志。如水样的
2、pH值
pH值是决定天然水中许多元素溶解性的重要因素
Na、Ca、NO3和Cl等少数几种离子可存在于各种pH条
件下的天然水中；
水文地球化学专业术语（中英文对照）
水文地球化学专业术语（中英文对照）水文地球化学1 水文地球化学基础1.1 水化学 hydrochemistry研究天然水化学成分的形成、分布和演变的学科。
1.2 地下水物理性质physical properties of groundwater地下水的比重、温度、透明度、颜色、味、嗅味、导电性、放射性等物理特性之总和。
1.3 地下水化学成分chemical constituents in groundwater地下水中各类化学物质之总称。
它包括离子、气体、有机物、微生物、胶体以及同位素成分等。
1.4 库尔洛夫式 kurllov formation以类似数学分式形式表示单个水样化学成分的含量和组成的方法。
1.5 水文地球化学作用hydrogeochemical process在一定地球化学环境下，影响地下水化学成分形成、迁移和变化的作用。
1.5.1 水解作用 hydrolytic dissociation地下水与岩石相互作用，成岩矿物的晶格中，发生阳离子被水中氢离子取代的过程。
1.5.2 溶滤作用 lixiviation地下水与岩石相互作用，使岩石中一部分可溶成分转入水中，而不破坏矿物结晶格架的作用。
1.5.3 蒸发浓缩作用evaporation—concentration process地下水遭受蒸发，引起水中成分的浓缩，使水中盐分浓度增大，矿化度增高。
1.5.4 混合作用mixing hydrochemical reaction in groundwater两种或两种以上不同成分水之间的混合，使原有水的化学成分发生改变的作用。
1.5.5 阳离子交替吸附作用cation exchange and adsorption地下水与岩石相互作用，岩石颗粒表面吸附的阳离子被水中阳离子置换，并使水化学成分发生改变的过程。
1.5.6 脱碳酸作用 decarbonation在温度升高，压力降低的情况下，CO2自水中逸出，而HCO-3含量则因形成碳酸盐沉淀减少的过程。
水文地球化学ppt
02
ONE
河流水文地球化学
1河流水文地球化学
河流水文地球化学是研究河流水体的综合性水文地球化学研究。它研究的对象 是河流，研究的内容包括水体的物理性质、化学性质、生物性质等，以及水文 地球化学过程的发生机制。
2河流水文地球化学的研究方法
01
（1）水体物理性质研 究：包括河流的流量、 温度、溶解氧、溶解氮、 溶解磷、pH值、浊度、
河流水文地球化学的研究结果可以应用于水资源保护、水环境改善、河流治理、水质监测等 方面。
1、水资源保护：通过河流水文地球化学的研究，可以明晰河流的水质变化规律，提出河流 水质的安全标准，以保护河流水质。
2、水环境改善：通过河流水文地球化学的研究，可以掌握河流水体的水质特征，提出合理 的水环境改善方案，以改善河流水环境。
一、概述
演讲人 2023-01-16
目录
01
Hale Waihona Puke 概述02河流水文地球化学的应用
03
河流水文地球化学
04
总结
水文地球化学ppt
01
ONE
概述
1什么是水文地球化学?
水文地球化学是研究地球上的水资源，包括河流、湖泊、海 洋、地下水和其他水体的水文和地球化学组成的学科。它研 究的对象是地球上的水体，研究的内容包括水体的物理性质、 化学性质、生物性质等，以及水文地球化学过程的发生机制。
3、河流治理：通过河流水文地球化学的研究，可以为河流的治理提供理论依据，提出合理 的河流治理方案，最大限度地提高河流的水质水量，并保护河流的生态系统。
4、水质监测：通过河流水文地球化学的研究，可以掌握河流水体的水质变化规律，为河流 水质的监测提供依据，以更有效地监测河流水质。
环境水文地球化学
酸度，与pH值一致。
环境水文地球化学
第二部分 水化学资料的获取 与整理方法
Acquisition and Processing of Hydrochemical Data
❖ 天然水的化学成分是指
➢ 离子、络阴离子、复杂络合物 ➢ 无机分子(O2、CO2、H2、CH4、H4SiO4) ➢ 有机分子(HCl-C=C-Cl2,Cl2-C=C-Cl2) ➢ 微生物（细菌、病毒、寄生虫）（存活时间、吸附、酸性土壤） ➢ 胶体(10-9-10-7m)
天然水组成的分类
环境水文地球化学天然水组成可按溶质颗粒大小、化合物类型、 相对浓度及相态等分类
一、水分析结果质量评估
环境水文地球化学Quality Assessment of Water Analysis Data
1、水溶液均呈中性 阳离子的毫克当量总数（∑c）与阴离子的毫克当量总数
（∑a）应是相当的
实际上存在各种误差，故当∑c+∑a > 5 meq/L时，要求：
环境水文部分 天然水化学成分的组成
环境水文地球化学
❖ 天然水的分类 ❖ 大气降水与地表水的化学特征 ❖ 地下水的化学特征 ❖ 天然水化学成分的综合指标 ❖ 地下水化学成分的数据处理
天然水的组成
环境水文地球化学
❖ 天然水是组成复杂的溶液
➢ 存在于地壳中的87种稳定的化学元素中，在天然水中就发现了70 种以上
➢总含盐量在100-200 mg/L之间，一般不超过500 mg/L； ➢基本化学组成与河水流经地区的岩土类型直接相关，如石
5水文地球化学分类
100
Cl
80
Na＋K SO4
Na＋K SO4
60
60
Mg
40
HCO3 Ca
40
HCO3 Mg
20
20
Ca
0 1 2
0
Na2SO4型水
系列1 系列2
1
2
系列3
NaHCO3型水
系列1 系列2 系列3
中国地质大学（北京） 中国地质大学（北京）
水资源与环境学院
rCl- ﹥ rNa+
100
100
Na＋K
80
中国地质大学（北京） 中国地质大学（北京）
水资源与环境学院
1.2 苏林分类
根据水中主要阴、阳离子（ 根据水中主要阴、阳离子（Cl-、SO42-、HCO3-、Na+、 Mg2+、Ca2+）彼此化学亲和力的强弱顺序而组成盐类的 原则，划分出四种类型的水。 原则，划分出四种类型的水。 首先按照rCl 毫克当量数）的关系进行划分: 首先按照 -和rNa+ （毫克当量数）的关系进行划分 (1) rCl-﹤rNa+（毫克当量数）时 毫克当量数） (2) rCl-﹥rNa+（毫克当量数）时 毫克当量数） 然后根据阴、阳离子毫克当量比例系数进一步划分。 然后根据阴、阳离子毫克当量比例系数进一步划分。
中国地质大学（北京） 中国地质大学（北京）
水资源与环境学院
rCl-﹤rNa+
100
Cl
80
Na+除与Cl除与 结合形成NaCl 结合形成 外，还与SO4还与 结合形成Na 结合形成 2SO4 Na+除与 -和 除与Cl SO4-结合形成 NaCl和Na2SO4 和 还与HCO3外，还与 结合形成 NaHCO3
10 水文地球化学-氧化还原反应
ywu@
2014-4-10
Variation of Oxidising Conditions With Depth Below Surface
2014-4-10 ywu@
Natural groundwater situation
• Groundwater tends to Eh 0 (reducing conditions).
2014-4-10
Redox zoning
– The zones are often referred to as
– OXIC (at the water table) an the region below it containing DO in this region oxide minerals are stable. – .ANOXIC the deep parts of the aquifer containing no DO, in this region sulphide minerals are stable. The anoxic zone is further divided into, post-oxic, sulphidic and methanic, depending on the dominant redox processes.
the soil where there is abundant organic matter from
decaying plant debris so that O2 is used and CO2 builds
up in the soil
2014-4-10
Organic Oxidation in soil
(4) FeS2 +14Fe3+ + 8H2O => 15Fe2+ + 2SO42- + 16H+
水文地球化学-形成地下水化学成分的地球化学作用
❖ 式 0．中0Δ0G803，14为k反J／应m的o标l；淮T为自绝由对能温变度化；，Kk为J／平m衡o常l；数R。为气体常数，等于
❖ 在标准状态下，T ＝ 293.15K (T＝25℃ + 273.15)， 将R和T值代入上式， 并转换为以10为底的对数，则
❖ lgK＝ -0.175ΔG0 (ΔG0，以kJ/mol计) ❖ 只准状要态从下文的献Δ中G能0，查就到可反算应得中K所值有。组分的ΔGf值，即可算得标
若器壁不是刚性的，除了体系内部的压力必须处处均匀 外，还必须使体系的压力与外界(环境)的压力保持 相等
水文地球化学基础
中国地质大学（武汉）环境学院 罗朝晖
焓
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，ΔH指一种反应的焓变化。
在标准状态下，最稳定的单质生成1摩尔纯物质时的焓变化， 称为标准生成焓， 以ΔHf表示。
地分下子水之是间一）种相真互实作溶用液，，它a 包不=括是rm相理互想碰溶撞液及；静水电中引各力种作离用子（，或作
式中用的的m结为果实是测，浓化度学（反m应o相l/对L）减；缓r，为一活部度分系离数子，在其反单应位中是不实起测 浓 中度，作计就的a和必用算倒m须，了数的对。就（单水因会L位/产中此m相生组，o同一分如l），定的果，均程实仍a为为度然测m活的用浓o度偏水度l/，差中加L。无。各以r量为组校为纲了分正无。保的，量但证实校纲是计测正的，算浓后系在的度的数实精进浓。际确行度应程化称用度学为，
热力学理论运用于化学时，称为化学热力学。化学热力学的主要内容是用热力学第一定律计算化 学过程中的热效应，同第二定律并结合第三定律解决反应能否发生和有关化学平衡及相平衡的计 算和描述，这些对分析预测地下水环境中的化学反应十分有用。
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。
水文地球化学过程HydrochemicalprocessPPT培训课件
• Pyrite occurs as an associated or gangue mineral with gold, the base metals and also coal
Why should we study Hydrochemical Reactions?
++
Saturation, Min. w/ Ca (log Q/K)
0 Anhydrite Bassanite
Gypsum
-5 An ta rcti ci te
-10 -15
Ca l ci te Do l o m i te
Buffer reactions
• CaCO3 + 2H+ Ca2+ + H2O + CO2(g) • H2O + CO2(g) H2CO3 • H2CO3 H+ + HCO3- H+ + CO32 • FeS2 + 2CaCO3 + 3,75O2 + 1,5H2O Fe(OH) 3 + 2SO42-
Pyrite (Fool’s Gold )
Detailed reactions
(1) FeS2 + 7/2 O2 + H2O => Fe 2+ + 2SO42- + 2H+ (2) Fe2+ + 1/4O2 + H+ => Fe3+ + 1/2 H2O (rate limiting
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Model of pyrite oxidation
ywu@
MODELS OF PYRITE OXIDATION- micro scale
liquid
Water film Product layer
a b c d e
Sulphide
gas waste rock
a b c d e
Influence of bacteria
ywu@
Influence of pH on Thiobacillus activity
ywu@
Oxygen dependence of bacteria
ywu@
Importance of bacterial catalysis on oxidation rate
++
-20
. Ca 2Cl 2(OH)2 H2O
-25 Lime -30
-35
ywu@
1
2
3
4
5
6
7
pH
Groundwater Quality
• Dependent on rock types and length of reaction times • Usually long enough to allow significant reaction • Higher dissolved substances than surface waters • Chemistry usually reflects composition of rocks in aquifer • Dolomites-Ca, Mg, HCO3 • Granites-Na, K, F, Sand Aquifer-low TDSrelatively inert rocks-rainfall determining factor ywu@
ywu@
Buffer reactions
CaCO3 + 2H+ Ca2+ + H2O + CO2(g) H2O + CO2(g) H2CO3 H2CO3 H+ + HCO3- H+ + CO32 FeS2 + 2CaCO3 + 3,75O2 + 1,5H2O Fe(OH) 3 + 2SO42+ 2Ca2+ + 2CO2 (open system) • 1 mole of FeS2 (64 g sulphur) is neutralised by 2 moles of CaCO3 (200 g) or 1 g sulphur: 3.125 g CaCO3 • FeS2 + 2CaCO3 + 3,75O2 + 3,5H2O Fe(OH) 3 + 2SO42+ 2Ca2+ + 2H2CO3 Closed system • 1 mole of FeS2 is neutralised by 4 moles of CaCO3, which results in a mass ratio of 1 g pyrite: 6.25 g calcite • • • •
0.1
0.1
0
0 0 1 2 3 4 5 6 7 pH 8 9 10 11 12 13 14
ywu@
Other reactions
• Dolomite CaMg(CO3) 2 + 4H+ = Ca2+ + Mg2+ + 2H2O + 2CO2 • Albite dissolution NaAlSi3O8(s) + H+ + 9/2H2O => Na+ + 2H4SiO4 + 1/2Al2Si2O5(OH)4(s) • Anorthite dissolution CaAl2Si2O8(s) + + H2O => Ca2+ + Al2Si2O5(OH)4(s) • K-feldspar dissolution KAlSi3O8(s) + H+ + 9/2H2O => K+ + 2H4SiO04 + 1/2Al2Si2O5 (OH)4(s) • Iron oxy-hydroxide dissolution Fe(OH)3(s) + 3H+ => Fe3++
碳酸平衡
ywu@
Distribution Diagram for the Carbonate System
1
1
0.9
0.9
0.8
0.8
0.7
0.7
Ionisation Fraction
0.6
0.6
0.5 H2CO3 0.4 HCO3
-
CO3
2-
0.5
0.4
0.3
0.3
0.2
0.2
ywu@
Pyrite (Fool’s Gold )
Detailed reactions
(1) FeS2 + 7/2 O2 + H2O => Fe 2+ + 2SO42- + 2H+ (2) Fe2+ + 1/4O2 + H+ => Fe3+ + 1/2 H2O (rate limiting step) (3) Fe3+ + 3H2O => Fe(OH)3 (yellow boy) + 3H+ (4) FeS2 +14Fe3+ + 8H2O => 15Fe2+ + 2SO42- + 16H+
Why should we study Hydrochemical Reactions?
0 Anhydrite Bassanite Gypsum Aragonite
(log Q/K)
-5
Antarcticite
Calcite Ca(OH) (c)
2
-10 Dolomite -15
Saturation, Min. w/ Ca
ywu@
Groundwater reacts with Soils and rocks
Water Reaction
SoilБайду номын сангаас and Rocks
Hydrogeochemistry
Water
Hydrochemistry Geochemistry ywu@
Groundwater Regime & Water Quality
unreacted pyrite ywu@ pyrite oxidation -oxygen consumed oxygen diffuses to oxidation layer liquid phase -oxygen concentration in equilibrium with the gas phase Gas phase between the waste rocks - oxygen supply by diffussion and advection
BOTTOM LINE = Sulphides +water +oxygen (+ bacteria) give acidity (4H+) + sulphates • If this is not neutralized it can result in heavy metal mobilisation which can have disastrous environmental consequences ywu@
Comparison of reaction rates
ywu@
Dissolve of Pyrite
3218BA1731:745m Malmesbury
• Oxidation of sulphide minerals, in the presence of oxygen, water and bacteria • Generally in South Africa the mineral pyrite (FeS2) is the primary cause. • Pyrite occurs as an associated or gangue mineral with gold, the base metals and also coal
ywu@
Flow & Reaction Time
ywu@
Overview of groundwater reactions
• Solid phase interactions Solution-precipitation and volatilization Adsorption including ion exchange • Enrichment • Neutralisation-acidbase reaction • Oxidation Reduction reactions (redox) • Adsorption including Ion exchange • Complexation •Hydrolysis reactions •Isotopic reactions • Decarbonation • Desulfation • Diogenic agency ywu@
ywu@
Buffer level of some common minerals
Mineral
Composition Buffer pH
Calcite CaCO3 5.5 - 6.9 Dolomite CaMg(CO3)2 5.3 - 6.8 Siderite FeCO3 5.1 - 6.0 Kaolinite Al2Si2O5(OH)4 3.7 - 4.3 Gibbsite Al(OH)3 3.7 - 4.3 Ferric hydroxide Fe(OH)3 3.3 - 3.7 Goethite FeO(OH) 2.1 - 2.2