8 水文地球化学-岩石溶滤作用

水环境地球化学组分
有两类指标： 必测指标：pH、氯化物、铁、锰、铜、锌、钼、汞、砷、 镉、铬(六价)、铅、铍、钡、钴、镍、钙、镁、亚硝酸银、氧 化物等。 选择指标： ①总硬度、氧化物、挥发性酚类(以苯酚计)、高锰酸盐指数、 溶解性总固体、硫酸盐、阴离子合成洗涤剂、硝酸盐、氮、磷、 钾、化学耗氧量、氧化还原电位、碘化、物、氨氮等主要用于 水质分析； ②有机污染物：滴滴涕、六六六等； ③细菌指标：总大肠杆菌，细菌总数； ④放射性指标：总放射和总放射。
玄武岩-水相互作用实验:揭示地下水中金属组分的来源
• 输出流动溶液内含有大量金属元素，有 Si、Al、Mg、Ca、Fe、Mn、Ti、V、B、 Mo、Cu、Pb、Zn、Sr、Ba、Co、Ni等。 主要造岩元素在跨越临界态时出现最大 溶解速率。其中，反应后输出溶液内元 素的最大浓度分别是：硅最大浓度为 247ppm，钾28ppm，钠22ppm，铝 17.3ppm，钙为9.55ppm，钒 0.22ppm， 钛0.05ppm，铬0.32ppm，镍26ppm，钼 为0.8ppm，铜为0.473ppm，锌为 0.49ppm，银0.029ppm，铅0.009ppm。
E-mail:jinrongt@163.com 中国地质调查局发展研究中心
沉积岩岩石的溶解与地下水化学组分
按成分成熟度来划分，可将砂岩分为成熟的和未成熟的两 类。
成熟的砂岩在矿物成分上必然是以最稳定组分石英为主， 因此构成了石英砂岩。在这类砂岩中石英含量高于75％，甚至 90％以上。母岩风化产物中那些不稳定组分，经长期的搬运磨 蚀作用，早已陆续被淘汰。从化学成分上看，这类砂岩的特点 是SiO2含量极高（表3－4），26个石英砂岩样品的平均SiO2含 量为 95.4 ％，而 Al2O3 等其他化学组分的含量极低。也有人用 SiO2／Al2O3这一比值数作为表示成熟度高低的指标。石英砂岩 的SiO2／Al2O3比值高，说明成分中铝硅酸盐或粘土矿物含量都 很少。石英砂岩中化学成分的变化，常是由胶结物成分引起的。 如果胶结物为碳酸钙（方解石），那么化学成分中CaO的数值 必然较高。
例如，沉积物中的硼，除来于源陆源碎屑（电气石）外，主 要是从海水中吸取而来的。现代海水中硼为 4.7mg／L，而淡 水中一般不含硼，内陆盐湖中具有很高的硼量。
Table 2.8 Chemical Composition of Groundwater (mg/l)
Rhyolite
SiO2 Al Fe Mn Cu Zn Ca Mg Na K HCO3 CO3 SO4 Cl Fe NO3 PO4 TDS pH 49 0.62 0.32 0 0 0.07 8.4 2.2 20.7 2.3 77 0 6.9 5.1 0.3 2.6 0.1 175.61 7.2
在同一温度压力下，各种金属的溶解度，或溶解（或沉淀） 的速率不同。在一个含金属流体，从高温、高于水的临界 态的流体中沉淀金属矿物时，首先沉淀金属氧化物。在减 低温度过程中依次为金属硫化物，碳酸盐矿物。 另一种影响因素是元素的丰度（化学上，有时称质量作用
定律）。降温时，矿床类型的改变。这也是金属分带性。
水文地球化学
第3章 地下水化学成分的形成过程 （溶滤作用）
吴 勇博士教授
成都理工大学
环境与土木工程学院 地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室 地下水科学研究与开发中心 2014-4-10
本次课的主要内容：
1. 地下水中的主离子
2. 化学组分与元素周期表
3. 化学组分与岩石矿物
4. 地下水化学成分的表示方法 5. 地下水的化学分类
此外，沉积物中粘土沉积物中的微量元素，如Mn，B，Br， Cl，Na，Sr，P，Ni，Co，V，Cr，U，Cu，As，Zn和Ga等。 在沉积作用的过程中，沉积物与介质之间存在着复杂的地球 化学平衡，如沉积物与介质之间的物质交换、沉积物对某些 元素的吸附等。这种交换或吸附作用除与元素本身性质有关 外，还受到各种环境的一系列物理化学条件的影响，因此， 在不同的环境中，元素分散与聚集规律也不相同。
元素垂向迁移
现已提出的元素垂向迁移的可能机理有： 1. 离子扩散作用； 2. 毛细管作用； 3. 蒸发作用； 4. 地下水对流或循环； 5. 植物根系吸收； 6. 微生物活动 7. 气体搬运(包括以地球气为主的多营力接力模 型) ； 8. 自然电位场(电化学模型、还原囱模型、雷暴电 池 )； 9. 膨胀性泵压作用(气压泵、地震泵) 10. 水位的起伏(包括陆上“潮汐泵”)
150
200 250 Temperature C
300
350
400
450
化学组成: 辉石族矿物的一般化学式可 以用W1-p(X,Y)1+pZ2O6表示。其中， W=Ca2+，Na+； X=Mg2+，Fe2+，Mn2+，Ni2+，Li+； Y=Al3+，Fe3+，Cr3+，Ti3+； Z=Si4+，Al3+。 正辉石亚族的化学组成比较简单，其中p≈1，即 无较大的阳离子存在，Al3+、Fe3+等三价离子也极少，Z 中也仅Si4+而已；但在斜辉石亚族中，就比较复杂：p 的变化自0到1，X及Y的组分均广泛地存在着类质同象 置换现象，由于W及X、Y的变化，相应地需要有部分的 Si4+被Al3+所取代，使斜辉石中出现了铝硅酸盐分子。
6. 地下水的化学成分的形成作用类型
天然溶质
•水化学组分与岩石矿物
岩浆岩: feldspar, quartz, mica, pyroxene, hornblende olivine…
岩石
沉积岩: calcite, dolomite, gypsum… 变质岩: garnet, croisette…
土壤 : 有机物、无机物 矿石: Fe, Mn, Co, Ni, Cu, Pb, Zn, Sn, Ti, Ag, Au, U… aetite, hydroferrite, magnetite, pyrite, sphalerite, galenite… 气体 :Atmosphere: N2, O2, CO2, Noble Gas … Vulcanian: HCl, HF, H2S, S, SO3 Biology: CH4, CO2, N2, H2S, O2 Chemical: CO2, H2, CH4, CO, N2, H2S, NH3, HF, Cl, SO2, Cl… Radioactive: He, Rn, Th, Ar, Xe… 生物--non artificial: C, H, O, N, P, organic compounds
矿物的溶解与地下水化学组分
•钠长石 •辉石 •阳起石 •金属矿物
Albite-water,22M Pa
Dis.Rate(mol/m2/mine-
60 50 40
5)
S.R(Si) S.R(Al) S.R(Na)
30 20 10 0 0 100 200 300 400 500
Temperature C 钠长石的最大溶解反应速率在近临界温度，在300℃。
Shale
26 3.6 1.7 3.1 0.04 0.09 114.4 53.7 194.3 5.3 330 3 358.4 219 0.6 17.2 0 1330.43 7.2
Limestone Dolomite Schist
12.8 0.09 0.4 0.06 0 0.01 71.3 19.1 12.9 2.2 228 0 60.7 19.7 0.3 8.9 0.09 436.55 7.5 14.9 0.13 1.1 0.07 0 0 62 43.7 27.4 1.8 272 0.7 138.2 6.9 0.6 6.3 0 575.8 7.7 23.1 0.1 0.5 0.08 0 0.03 40.4 15.2 22.4 3.1 166 0 37.5 23.1 0.6 4.4 0.01 336.52 7.1
Al Mg Ca Fe Basalt - water
Concentrations(ppm)
20 15 10 5 0 0
100
200
300
400
500
Temperatures C
矿床中异常元素组合特征
矿床中异常元素组合特征（续）
溶解速率次序
在25～300℃22MPa范围，Ca、Mg、Fe、Al比硅更容易 进入溶液， 300º C/22MPa （340º C/50MPa）H2O溶解Si最大速率。 而在300～400范围，溶解作用表现为Si比其它元素更容 易溶解到水中去。 金属氧化物快速沉淀。 在小于300℃的外围出现硅化岩石。
Granite
32 0.18 0.29 0.02 0 0.06 38.1 8 51.2 3.7 175 0 65.4 53.7 1.2 7.6 0.07 436.52 7.1
Gabbro Sandstone
41 0.2 0.62 0.06 0 0.03 25.7 26.3 14.3 9.1 196 0 17.1 22.5 0.2 6.5 0.03 359.64 7.5 23 0.1 0.74 0.06 0 0 53.2 20.8 51.1 4.3 252 2.1 69 37.3 0.4 4.5 0.02 518.62 7.5
辉石的最大溶解速率在近临界温度
3
Bulk dis Rate(mol/min)*(10e-4)
2.5 2 1.5 1 0.5 0 0 50 100
Di-Water
R(Si) R(Al) Ca Mg Mn Na Fe K
150
200
250
300
350
400
450
Temperatures C
金属/矿物溶解度
Concentrations(ppm)
300 250 200 150 100 50 0 0
Si Al Mg Ca Fe Na K
Basalt - water
100
200
300
400
500
Temperatures C
玄武岩与水反应：Si, Al, K, Na, Fe, Mn, Ti, Li, Ba, Cu,Zn,Pb,Ag,..的最大溶解速率在近临界温度(C)
Al Mg Ca Fe Na K
Basalt - water
Concentrations(ppm)
30 25 20 15 10 5 0 0
100
200
300
400
500
Temperatures C
玄武岩与水反应：Si, Al, K, Na, Fe, Mn, Ti, Li, Ba, Cu,Zn,Pb,Ag,..的最大溶解速率在近临界温度(C)
Concentrations(ppm)
25 20 15 10 5 0 0
Al Mg Ca Fe Na
Basalt - water
100
200
300
400
500
Temperatures C
玄武岩与水反应：Si, Al, K, Na, Fe, Mn, Ti, Li, Ba, Cu,Zn,Pb,Ag,..的最大溶解速率在近临界温度(C)
硫化物溶度积速率:K=[M2+][S2-] ,K=[M+]2[S2-]
ZnS> PbS > CuS> Cu2S > Ag2S
岩石的溶解与地下水化学组分
•玄武岩 •沉积岩
玄武岩与水反应：Si, Al, K, Na, Fe, Mn, Ti, Li, Ba, Cu,Zn,Pb,Ag,..的最大溶解速率在近临界温度
阳起石的组成是Ca2(Mg，Fe++)5〔Si4O11〕2〔OH〕2， 其中： FeO 6～13%， CaO 13.8% ， MgO 24.6%， SiO2 58.8%， H2O 2.8%。
主含钙、镁、铁的羟硅酸盐 Ga2(Mg,Fe2+)5[Si4O11]2(OH)2(透闪石)， 尚含少量方解石或兼有角闪石和绿泥石 (含镁铁铝的硅铝酸盐)等。
阳起石-水反应速率最大在近临界态 Si, Al, Ca, Mg, Mn, Fe输出浓度与温度的关 系。同流动速率时，硅输出浓度最大在300度
140
(ppm)
120 100 80 60 40 20 0 0 50 100
Hale Waihona Puke Baidu
Act-water
Si
Si Al Fe Ca Mg Mn
Concentration