1-水文地球化学导论
水文地球化学
是实测浓度的倒数（L/mol），α为活度，无量纲。
但是在实际应用中，α和m的单位相同，均为mol/L。 r为无量纲的系数。
三、非理想性的校正
活度系数r随水中溶解固体（即矿化度）增加而减小，
一般都小于1。
当水中总溶解固体（Total Dissolved Solids，简称
TDS）很低时，r趋近于1 ，活度趋近于实测浓度。
第二节 溶解/沉淀作用
一、地下水系统固体物质的组成
• •
1.岩浆岩及其矿物成分 岩浆岩是由岩浆固化作用而形成。 常见的矿物20~30种，其中最主要的是长石、石英
云母、辉石、角闪石、橄榄石、霞石、白榴石、磁
铁矿、磷灰石等10种，这10种矿物占岩浆岩矿物总
量的99%.
一、地下水系统固体物质的组成
2.沉积岩及其矿物成分 和已经形成的沉积岩）风化剥落的产物经搬运、沉
• 沉积岩是在地表条件下，由母岩（岩浆岩、变质岩 积和成岩作用而形成的岩石。
• 目前在沉积岩矿物中发现的矿物约有160余种，比较 重要的有20余种，如石英、长石、云母、粘土矿物、 碳酸盐矿物、卤化物及含水氧化铁、锰、铝等。
一、地下水系统固体物质的组成
Gr (553.54) (454.8) (2 527.9) (2161.7) 97.56(kJ / mol) 将其带入lgK =-0.175Gr ,求得白云石的平衡常数： K =10-17.073
二、化学反应与平衡常数计算
当要求25℃以外某物质的K值，就必须有该温度
• 焓可作为化学反应热效应的指标，化学反应的热效应是指
反应前后生成物和反应物标准生成焓的差值，热力学上称 其为“反应的标准焓变化”，以ΔHr表示。
水文地球化学
❖ 盐华：松散岩层中的地下水经毛细管作用上升至地表附近，在干旱气候条件下不断蒸发浓 缩，沉淀出盐类矿物
4、混合作用
❖ 定义：两种或几种性质和化学成分不同的水相混合，形成具有新的性质和化学成分的 水，这一过程称为混合作用，例如： ➢ 海水入侵 ➢ 混合抽水
2H2eH2(气)
几种常见的混合作用
❖ 混合溶蚀现象： ➢ 当两种均含有侵蚀性CO2的水相混合，会导致水的溶蚀能力增强（原本对方解石饱和的两 种地下水在混合后将变得对方解石不饱和）
❖ 三种存在形态： ➢ 游离碳酸H2CO3或游离 CO2(aq) ➢ 重碳酸根离子 ➢ 碳酸根离子
❖ 分子态的两种碳酸在平衡时，CO2形态占最主要地位，故可以把水中的溶解性气体含量作为游 离碳酸总量
碳酸平衡
在稀溶液中，挥发性溶质的分压以巴为单位，等于溶质的 摩尔数（亨利定律），适用于难溶气体
C3 2 O C 2
❖ 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； ➢ 多数金属元素在酸性条件下以阳离子形式存在，而当pH值增高时，即以氢氧化物或偏 碱性的盐类形式从水中沉淀出来(如Fe3+)； ➢ 一些金属元素（如Cu、Zn等）发生沉淀的pH略高一些（Cu为5.3, Zn为7）
❖ 以上为描述碳酸平衡系统的最基本的方程
5、地下水系统中的碳酸平衡
❖ 大气圈中的CO2分压一般为10-3.5巴；包气带的CO2分压在10-2巴左右；而地下水中CO2分压值变化 较大，一般在10-1~10-3巴之间，生物的呼吸作用及其分解都会产生CO2。
❖ 闭系统：系统与大气没有CO2交换，水与碳酸盐矿物之间的溶解反应所消耗的CO2得不到补充， 这类系统称为“闭系统”。其特征是，Ca2+、HCO3-浓度较低，而pH较高；达到溶解平衡后， CO2分压值小于原始值。
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，
水文地球化学导论.ppt
硒地方病-大骨节病
是一种以软骨坏死为主要改变 的地方性变形性骨关节病，研 究表明可能主要与缺硒有关。
主要发生于儿童和少年，临床 表现为关节疼痛、增粗变形， 肌肉萎缩，运动障碍。
本病在我国分布于由东北斜向 西南的宽带状地域内，包括14 个省、市、区的302个县
中国大骨节 病分布
硒地方病-大骨节病
砷中毒
地方性甲状腺肿
俗称“大粗脖”，以甲状腺肿 大为主要病症
分布很广
– 世界约有16亿人生活在碘严重缺乏地区，中国就有4.25亿 – 亚洲的喜马拉雅山地区——非洲的刚果河流域——南美的
安第斯山区——欧洲的阿尔卑斯山区——北美的美国和加 拿大之间的大湖盆地周围以及太平洋新西兰的一些地区 – 我国除上海市以外，各省、自治区、直辖市都有不同程度 的地方性甲状腺肿流行区
II
地下水起源与 岩浆水
Ⅰ—海洋水 Ⅱ—沉积盖层 Ⅲ—地壳的晶质岩 Ⅳ—岩浆源 Ⅴ—地幔岩 Ⅵ—大陆冰盖
I
III
I
V
IV
1—幔源初生水；2—返回地幔的水；3—重结晶脱出水（再生水）；4—沉积水；5— 埋藏水；6—地内水循环；7—小循环；8—大循环；9—地下径流；10—地表径流
HGC的研究意义
实际意义
– 2 CaCO3 (灰岩) + MgCl2 = CaMg(CO3) 2 (白云岩) + CaCl2
HGC是在水文地质学与地球化学的基础上发展 起来的一门独立学科
HGC
– 奠基人是地球化学家维尔纳茨基 – 创始人是水文地质学家奥弗琴尼柯夫
地球化学VS HGC
– 是研究地球元素的迁移、富集规律的一门学科，是研究地球 的化学组成、化学作用及化学演化的科学
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
关于水文地球化学
关于水文地球化学水文地球化学是地球化学的一个重要分支，主要研究地下水、地表水以及与水体有关的各种化学过程和现象。
它涉及到水圈、岩石圈和生物圈之间的相互作用，以及各种物理、化学和生物过程对水体化学成分的影响。
一、水文地球化学的概念水文地球化学是研究地球上水的分布、运动、循环及与其它物质相互作用的科学。
它以地球上水的化学性质为基础，研究水中溶解物质的含量、种类、分布规律及其与周围环境的关系，并探索这些化学过程如何影响地球上的自然环境和人类活动。
二、水文地球化学的研究内容1.水文地球化学循环：研究水中各种元素和化合物的来源、迁移和转化过程，以及这些过程对水圈的影响。
2.地下水化学：研究地下水的形成、储存和运动，以及地下水中的化学过程和反应。
3.地表水化学：研究河流、湖泊、水库等地表水体的化学性质和水质变化，以及这些变化对人类活动的影响。
生物地球化学循环：研究水中生物过程对地球化学循环的影响，以及水中生物过程与环境因素的关系。
4.水质评价与保护：研究水质的评价方法和标准，以及如何保护水资源免受污染和环境破坏。
三、水文地球化学的研究方法1.野外调查：通过野外调查可以获取水体的分布、水量和水质等信息，为后续研究提供基础数据。
2.实验室分析：通过实验室分析可以获取水样中的各种化学成分和微生物等信息，进一步了解水体的化学性质和水质状况。
3.数值模拟：通过数值模拟可以模拟水文地球化学过程和反应，进一步了解水体的运动和变化规律。
4.同位素分析：通过同位素分析可以了解水中物质的来源和年龄，进一步了解水体的形成和演变过程。
四、水文地球化学的意义1.资源保护：水文地球化学研究有助于了解水资源的分布、储量和质量状况，为保护水资源提供科学依据。
2.环境监测：水文地球化学研究可以监测水体是否受到污染，以及污染物的来源和扩散方向，为环境监测和治理提供支持。
3.生态保护：水文地球化学研究可以了解水中生物过程对生态平衡的影响，为生态保护提供科学依据。
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。
水文地球化学电子教案1
二、水文地球化学的含义
沈照理教授——我国水文地球化学学科的主要奠基人之一， 用四句话概括HGC的基本含义：
1、HGC是水文地质学的一部分
2、HGC是在水文地质学与地球化学基础上发展起来的、 并已成为一门独立的学科
3、HGC是以地下水化学成分的形成与演化以及各种化 学元素在其中的迁移规律为主要研究对象的一门学科
结合地下水动力学的观点去考 察地下水化学组成及其变化
Байду номын сангаас 包括以下5个学科分支：
（1）一般水文地球化学
地（下2水）的成成因分水和文地结球构化特学点、地下水化学 成水分—岩的不石形（同—成3成）气过因历体程类史—、型水有形地文机成下地物环水球质境化化系和学或统影成古中响分水的因的文相素形地互、成球化学 作用、地下水（中4）元区素域的水迁文移地、球个化别学元素的 水文地球化元学素迁（移5、）水应的用地水层文作地用球化学
hydrology 5、Environmental Geology 6、Geochim Cosmochim Acta
第二部分 化学热力学基础
❖ 水是极性分子，是一种溶解能力很强的溶剂
➢ 它与包气带及含水层中的岩石(土)接触时，必定会发生溶 解—沉淀反应、氧化还原作用、界面反应作用，这些反应 是控制地下水化学成分形成和演变的重要作用。
4、HGC是探索地球壳层各带中地下水的地球化学作用 的一门新兴学科
1、 HGC是水文地质学的一部分
首先，地下水化学成分及其规律是水文地质条件不可分割的部分。
干旱山间盆地洪积扇典型水文地质分带
分带：
Ⅰ 潜水埋深带 盐分溶滤带
Ⅱ
Ⅲ
溢出带
潜水下降带
盐分过路带 盐分积聚带
另一方面：HGC的研究离不开水文地质条件的分析。
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。
水文地球化学精品课程
水文地球化学精品课程1. 引言水文地球化学是一个综合性的学科领域，研究水体中各种物质的来源、转化过程以及对环境和生态系统的影响。
通过深入了解水文地球化学，我们可以更好地理解和解决与水资源相关的问题，促进可持续发展。
2. 水文地球化学基础知识2.1 水的特性•水分子结构与性质•水的溶解性和极性•水的相变和密度2.2 地球化学基本概念•元素和同位素•化学反应和平衡•地球化学循环2.3 溶液化学基础•酸碱理论与pH值•电离平衡与溶液中离子浓度计算3. 水文地球化学研究方法3.1 取样与分析技术•取样技术及其注意事项•常用分析方法介绍3.2 实验设计与数据处理•实验设计原则与方法选择•数据收集、整理与处理4. 水文地球化学过程与环境影响4.1 溶解质的来源与转化•大气降水中的溶解物质•地表水和地下水中的溶解物质来源•溶解物质的迁移与转化过程4.2 水体污染与治理•水体污染的类型与来源•污染物的迁移与转化过程•水体治理技术与方法5. 地球化学循环与生态系统影响5.1 元素循环过程•碳循环、氮循环、磷循环等基本概念及关键过程介绍5.2 地球化学循环对生态系统的影响•土壤养分供应与生态系统结构•元素限制对生态系统功能的影响6. 应用案例分析6.1 地下水资源评价与管理案例分析•地下水资源调查方法及评价指标体系介绍•地下水管理策略研究案例分享6.2 河流污染控制案例研究•河流污染特点及监测方法•河流污染控制技术与策略案例分享7. 结语水文地球化学是一个重要的学科领域，对于水资源管理和环境保护具有重要意义。
通过本课程的学习，希望能够提高同学们对水文地球化学的认识和理解，培养同学们的研究能力和解决实际问题的能力，为可持续发展做出贡献。
以上是关于水文地球化学精品课程的内容大纲，希望本课程能够帮助同学们深入了解水文地球化学的基础知识、研究方法和应用案例，从而提升对水资源管理和环境保护相关问题的认识和解决能力。
讲义化学
水文地球化学基础Introduction to Hydrogeochemistry绪论1 水文地球化学的含义2 研究对象3 水文地球化学的形成与发展4 研究意义及重要性1 水文地球化学的含义•水文地球化学是水文地质学的一部分；•它是在水文地质学与地球化学的基础上发展起来的，并已成为一门独立的学科；•它是以地下水化学成分的形成以及各种化学元素在其中的迁移规律为主要研究对象的一门学科；•它是探索地球壳层各带中地下水的地球化学作用的一门新兴学科。
1.1 水文地球化学是水文地质学的一部分水文地质学研究地下水在周围环境（岩石圈、大气圈、水圈、生物圈以及人类活动）影响下，数量和质量在时间和空间上的变化规律，并在此基础上研究如何依据这些规律有效地利用地下水和调节控制地下水以兴利避害。
水文地质学研究的内容为地下水在数量和质量上的时空变化规律。
地下水化学成分及其变化规律是地下水形成和分布规律不可分割的部分(西部典型内陆盆地地下水循环模式)水文地球化学研究为阐明水文地质条件、评价地下水资源提供重要依据(平顶山地区地下水研究结果)水文地球化学研究离不开对水文地质条件的分析人们早已认识到，地下水化学成分是水—岩相互作用的产物，如希腊名言：水流经的岩石怎样，水也就怎样。
可是这一规律有时还无法解释地下水化学成分的特殊性。
比如，岩性相同的岩石（如灰岩），其中的化学成分可以大相径庭。
例如：同是嘉陵组（T1J）的白云岩：位于水交替较强部位的岩溶水为HCO3-Ca-Mg水（淡水），而位于深部交替滞缓的岩溶水为CaCl2型卤水要合理解释这种现象，就不能不分析这一地区的水文地质条件，尤其是这一地区的地质发展历史和古水文地质条件。
1.2 水文地球化学是在水文地质学与地球化学的基础上发展起来的，并已成为一门独立的学科水文地球化学涉及的对象是运动着的地下水及与之相关的大气水、地表水，因此，水文地球化学研究就离不开水文地质学，就必须结合地下水动力学的观点去考察地下水化学组成及其变化（实际上，―水文地球化学‖内容也是从―水文地质学‖分离出来的）；地球化学是研究地球中元素的迁移、富集规律的一门学科，是研究地球的化学组成、化学作用及化学演化的科学。
《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。
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。
水文地球化学讲解
天然同位素：在自然界中天然 存在的
人工同位素：人工合成的
按结构 稳定性
稳定同位素：原子核稳定，其本身 不会自发进行放射性衰变或核裂变 的同位素
放射性同位素：原子核不稳定，能自 发进行放射性衰变或核裂变，而转 变为其它一类核素的同位素
• 核素的稳定性是相对的，它取决于现阶段的实验 技术对放射性元素半衰期的检出范围，目前一般 认为，凡是原子存在的时间大于1017年的就称稳 定同位素，反之则称为放射性同位素 。
元素---原子核中质子数相同的一类原子的总称。
核素----同一种元素由于其原子核中中子数不同可 存在几种质量不同的原子，其中每一种原子称为 一种核素。
同位素---周期表中占有同一位置，其原子核中质 子数相同而中子数不同的某一种元素的原子，即 具有相同的质子数，但具有不同的质量数的原子。
2、同位素分类
• 一般来说质量数A＜209的同位素大部分是稳定的， 只有少数是放射性的,如3H，14C，40K，87Rb等； 而质量数大于209的同位素绝大部分属于放射性 同位素。
按进入环 境的方式
人工施放同位素：专指在研究 过程中通过有目的人为投放而 进入环境的部分人工同位素
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
δD（V-SMOW）‰
-64.0 -66.1 -63.6 -61.1 -61.7 -52.6 -56.5 -60.5 -62.2 -62.4
δ18O(V-SMOW)‰
-8.82 -9.05 -8.99 -8.67 -8.30 -6.53 -7.52 -8.30 -8.40 -8.86
样品的δ值可通过质谱仪直接测得，但δ值的大小与选 用的标准样品直接相关。
(完整版)水文地球化学基础知识
《水文地球化学基础知识》——（绝对一个字一个字打出来的，正版资料！）名词解释目录第一章水化学基础第一节溶解平衡 (3)第二节碳酸平衡 (4)第三节地下水中络合物的计算 (4)第四节氧化还原反应 (5)第二章地下水的化学成分的组成第一节天然水的组成 (6)第二节天然水的化学特性 (6)第三节元素的水文地球化学特性 (7)第四节天然化学成分的综合指标（三种） (7)第五节地下水化学成分的数据处理 (7)第三章地下水化学成分的形成与特征第一节地下水基本成因类型的概念 (7)第二节渗入成因地下水化学成分的形成与特征 (8)第三节沉积成因地下水化学成分的形成与特征 (8)第四章水的地球化学循环第一节地下水圈的概念 (8)第二节地壳中水的地球化学循环 (9)第三节成矿过程中水的地球化学循环 (9)第五章水文地球化学的应用第六章补充部分 (10)第一章<水化学基础>第一节溶解平衡质量作用定律：一个化学反应的驱动力与反应物及生成物的浓度有关化学平衡与自由能体系：把所研究对象一个物体或一组相互作用的物体称为体系或系统，而体系（或系统）周围的其他物质称为环境。
状态及状态参数：热力学状态分为平衡状态和非平衡状态。
热力学平衡体系特性是由系列参数来表示当体系没有外界影响时，各状态参数若能保持长久不变，此体系称为热力学平衡状态。
焓：它是一种化学反应向环境提供的热量总值。
以符号“H”表示。
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”。
△H r=△H(生成物)-△H（反应物）△H r为正值，属吸热反应，△H r为负值，属放热反应自由能：在热力学中，自由能的含义是指一个反应在恒温恒压下所能做的最大有用功，以符号“G”表示。
在标准状态下，最稳定的单质生成1摩尔纯物质时的自由能变化，称为“标准生成自由能”，以“△Gf”表示△Gr=△G(生成物)- △G（反应物）△Gr为正值，反应在恒温恒压条件下不能自发进行，△Gr 为负值，反应在恒温恒压条件下可以自发反应；△G=0，反应处于平衡状态。
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地热流体地球化学
地热资源
地热能的总量之大超乎人 们想象。仅地壳最外层10 公里范围内，就拥有1254 亿亿亿焦热量，相当于全 世界现产煤炭总发热量的 2000 倍。地热发电要比水 力发电的潜力大100 倍。 可供利用的地热能即使按 地热能总量的1％计算，仅 地下3 公里以内可开发的 热能，就相当于2.9 万亿 吨煤的能量。
俗称“大粗脖”，以甲状腺肿 大为主要病症 分布很广
– 世界约有16亿人生活在碘严重缺乏地区，中国就有4.25亿 – 亚洲的喜马拉雅山地区——非洲的刚果河流域——南美的 安第斯山区——欧洲的阿尔卑斯山区——北美的美国和加 拿大之间的大湖盆地周围以及太平洋新西兰的一些地区
– 我国除上海市以外，各省、自治区、直辖市都有不同程度 的地方性甲状腺肿流行区
根据国外文献
– 摄入15 ～20 mg/d，持续10 a后，可出现 氟骨症; 摄入总量为20 mg /d，持续20 a 以上，可导致残废。
高砷地下水已相继在全球 70多个国家和地区被发现，威胁着约 1.5 亿人口 的供水安全，导致数千万人罹患饮水型砷中毒，被认为是人类历史上最严 重的群体性中毒事件
要合理解释这种现象，就不能不分析这一地区的水文地质 条件，尤其是这一地区的地质发展历史和古水文地质条件。
– CaMg(CO3) 2 (白云岩) + 2CO2 + 2H2O = Ca2+ + Mg2+ + 4HCO3– 2 CaCO3 (灰岩) + MgCl2 = CaMg(CO3) 2 (白云岩) + CaCl2
水文地球化学的研究进展
除使用常量组分外，大量使用微量组分、同位 素数据揭示地下水化学成因 除无机组分外，越来越注意到有机组分（卤代 烃、有机氯农药、环境内分泌干扰物 ）的迁移、 富集
水文地球化学模拟技术在近年来得到了迅速发 展
– 水化学统计
– 正向水文地球化学模拟
– 反向水文地球化学模拟 – 化学动力学模拟
我国水文地球化学的奠基人沈照 理教授对HGC基本含义的概括：
•HGC是在水文地质学与地球化学的基础上 发展起来的，已成为一门独立的学科
•HGC的主要研究对象为地下水化学成分的 形成、演化、迁移、富集规律
HGC是水文地质学的分支学科
一方面：地下水化学成分及其变化规律是水文地质条 件的重要组成部分，水化学场的变化往往与水动力场 相对应
昂仁搭各加地热喷泉
距拉萨150多公里的念青唐古拉山脚下一处地热喷泉
羊易热泉
我国典型 高温地热
阳明山地热谷
地热领域的科学问题
实际问题
– 高温水热系统是否具有发电潜力？
– 地热流体中污染组分在其排放入地表环境和 浅部地下环境后的迁移、转化、蓄积规律如 何，是否会有不良环境影响？
科学问题
– 水热系统的岩浆热源的类型、规模和形成机 制如何，对水热系统的历史演变和未来演化 有何影响？ – 岩浆热源的深部脱气过程所产生的岩浆流体 具有怎样的地球化学特征，如进入地热储， 在母地热流体中的贡献如何？
地热流体地球化学
我国的地热资源
我国的地热资源也非常丰富。目前已发现的地热露头有 2700多处（包括天然和人工露头），还有大量地热埋藏在 地下尚待发现。
我国大多数省（区）都有为数不同的地热露头，地热点分 布比较多的有：云南（345处），西藏（342）处，河北（ 320处），四川（295处），广东（229处）等省区。我国 地热资源大部分属于中低温热水，80℃以上的地热点只有 600多处。 从我国地热分布情况来看，有从中部向东部大陆边缘和西 南部地热数量逐渐增多和水温逐渐增高的趋势。
我国地方性砷中毒分布图
-
高氟水 高砷水 高腐殖酸水 苦咸水 高碘水 ……
影响人口：267 万人
砷中毒区 砷暴露区
暴露人口：57 万人
砷中毒患者：据已有地质调查
地区不完全统计，逾几十万人
砷中毒可导致：皮肤病变乃至癌变 还对胃肠道系统、呼吸系统和神经系统产生影响
砷中毒
砷中毒
砷中毒
地方性甲状腺肿
HGC是在水文地质学与地球化学的基础上发展 起来的一门独立学科
HGC
– 奠基人是地球化学家维尔纳茨基
– 创始人是水文地质学家奥弗琴尼柯夫
地球化学VS HGC
– 是研究地球元素的迁移、富集规律的一门学科，是研究地球 的化学组成、化学作用及化学演化的科学 – 地球化学的研究范围涵盖了大气圈、水圈、生物圈和岩石圈， 而水文地球化学侧重于研究水圈、尤其是地下水圈。
地下水起源与 岩浆水
Ⅰ—海洋水 Ⅱ—沉积盖层 Ⅲ—地壳的晶质岩 Ⅳ—岩浆源 Ⅴ—地幔岩 Ⅵ—大陆冰盖
I
III
I
V
IV
1—幔源初生水；2—返回地幔的水；3—重结晶脱出水（再生水）；4—沉积水；5— 埋藏水；6—地内水循环；7—小循环；8—大循环；9—地下径流；10—地表径流
HGC的研究意义
实际意义
开发新的替代水源，非长久之计
引水或利用深层地下水的成本高，有的地区根本没有替代水源
深层地下水的持续开发，可能引发上覆劣质水的越流补给 天然劣质地下水对当地生态环境造成潜在威胁
对天然劣质地下水进行科学改良
增加了当地可利用的淡水资源
避免产生次生地质环境问题
对于贫困地区或没有地下淡水水源可供开发的地区是唯一途径
上述论断也是HGC的传统定义
地下水中的化学组分
– 地壳中含有87种稳定元素，至今已在地下水中发 现了70多种； – 元素在地下水中除以简单和复杂离子形式存在外， 还以络合物、气体等形式存在；地下水中不仅有 大家所熟知的无机组分如K、Na、SO4、Cl、 HCO3、CO2等，还存在有机物、微生物。
and
Knowledge is everything….
– 地球化学不考虑地下水动力场，水文地球化学考察在地下水 流动过程中化学组分的变化规律。
– 地球化学的一些基本原理和工作方法，同样适合于HGC的研 究，如元素克拉克值（地壳中化学元素平均含量的质量百分 数）的概念，pH-Eh相图法等，均可用于HGC的研究。
HGC的主要研究对象为地下水化学成分的形成、 演化、迁移、富集规律
硒地方病-大骨节病
是一种以软骨坏死为主要改变 的地方性变形性骨关节病，研 究表明可能主要与缺硒有关。 主要发生于儿童和少年，临床 表现为关节疼痛、增粗变形， 肌肉萎缩，运动障碍。
本病在我国分布于由东北斜向 西南的宽带状地域内，包括14 个省、市、区的302个县
中国大骨节 病分布
硒地方病-大骨节病
– 反应性溶质运移模拟
研究方法
野外调查
– 水文地质调查
– 水文地球化学采样
室内分析测试 实验室模拟 计算机模拟
应具备的基础知识
岩石学、矿物学基础知识
水文地质学基础、地下水动力学知识 普通化学、物理化学知识
参考资料
Ground Water Water Resources Research Journal of Volcanology Geothermal Research Applied Geochemistry Journal of Hydrology Hydrogeology Journal
地下水水量的变化规律的研究属于地下水动力学、 地下水流数值模拟的范畴 地下水水质的变化规律的研究属于水文地球化学的 范畴
– 在此研究领域内，水文地球化学模拟的基本理论与技术 方法正日益受到重视 – 尽管目前尚未开设专门讲述水文地球化学模拟的课程， 但在本课程中，将涉及水化学模拟及其应用方面的内容
2/3
8840亿m3
1/3
19100亿m3
地下水 地表水
农村：天然劣质地下水
城市：地下水污染
氟斑牙患者:
2100 多万人 氟骨症患者: 100 多万人
氟 斑 牙
饮用水中氟化钙的形成会 影响牙齿的钙化，使牙齿 钙化不全，牙釉质受损
氟骨症
体中吸收过量的氟会引起氟骨症
– 早期出现四肢、脊柱骨骼和全身各关节 疼痛、全身乏力，严重的可造成肢体功 能发生障碍，全身骨骼和关节变形，甚 至瘫痪； – 内蒙阿拉善右旗雅布赖盐池地区饮用水 中含氟量达10 mg/L。 – 饮用水氟含量达4 mg/L即可导致氟骨症； 超过10 mg/L时，会引起残废。
地下水系统中的水文地球化学过程
HGC的研究意义
理论意义
– 曾有科学家把水称为科学的镜子，即 对水的研究程度反应着科技的发展水 平； – 以水圈的重要组成部分—地下水作为 主要研究对象的HGC，有助于阐明地 球上水的形成与起源。
水文循环：小循环+大循环 地质循环（水的分解与合成） VI 水的起源和地球化学演化 II
地理分布
– 东南温暖湿润地带与西 北寒冷干旱地带之间的 过渡地区
– 以山区、半山区、丘陵 地多见。山谷、河谷、 等低洼潮湿地区发病尤 重。
– 病区大至与土壤低硒地 带一致
西藏大骨节病区分布示意图
桑日大骨节病区一角
青稞地土壤采样
桑日大骨节病区病例
水质改良是解决天然劣质地下水分布区 饮水安全的根本
一门关于地下水的科学
水文地球化学
主讲：郭清海
导 论
授课内容
水文地球化学的学科归属 水文地球化学的含义 水文地球化学的研究意义
水文地球化学的研究进展
水文地球化学的研究方法
应具备的基础知识
参考资料