Question

水岩作用

Answer 1

一、吸附与解吸附

吸附作用就是介质固体表面对溶解在水中的成分进行吸附去除；解吸附则是吸附的逆反应，即已被固体表面吸附的成分又回到水溶液中。

如果吸附固体不发生迁移，那么吸附作用可以使水中被吸附成分得到阻滞，其浓度会降低；如果吸附剂是悬浮在地下水中的胶体，可随水流运动的话，那么这样的吸附作用不会阻止被吸附溶质的迁移，只有当胶体沉淀发生时，溶质才能够从地下水中去除。

吸附、解吸附作用最典型的是离子交换反应。在地下环境中，粘土矿物是最常见的吸附剂。粘土矿物表面净电荷呈负性，所以容易对阳离子进行吸附。阳离子交换容量（CEC）用来描述粘土离子交换的能力，一般表示为每100g干物质样品中吸附阳离子的当量数。一般来说，在粘土矿物中，阳离子交换容量由大到小顺序依次为：蒙脱石、伊利石、高岭石。其中蒙脱石的CEC可达80～100 meq/100 g，而高岭石只有3～15 meq/100 g。粘土的阳离子交换能力同时还受pH值的影响，pH值低时，不利于粘土对阳离子的吸附；但随着pH值增加，氢离子活度降低，增大了阳离子交换能力。

有机物是地下环境中另一个主要的离子交换吸附来源。在天然状态下主要是一些腐殖物质，呈负电性，其吸附作用同样受pH条件的控制。一般认为，腐殖质的阳离子交换总容量要比硅酸盐粘土矿物大很多，其数量级可达200 meq/100 g。

在粘土矿物中，阴离子交换作用也可以存在，但由于矿物表面总体呈负电性，所以阴离子交换作用远不如阳离子吸附交换作用。但是，当矿物表面吸附了H⁺以后，可以产生正电性，发生如下反应：

现代水文地质学

其中≡M表示矿物格架中的金属离子。这样就可以对阴离子进行吸附：

现代水文地质学

或

现代水文地质学

在一般pH条件下，粘土的阴离子交换容量可以忽略不计，但在风化作用强烈的土中，在相对酸性条件下，粘土的阴离子交换容量可达到CEC的10%左右。

离子的交换吸附除了受其电性、离子半径大小的影响外，还受溶液中离子浓度的控制。一般来说，在地下水中，以常量组分的离子交换吸附作用为主，如Ca²⁺、Mg²⁺、Na⁺等，而微量组分的交换吸附作用较弱。但这种离子交换吸附作用对于微量组分在地下水中的迁移具有一定的影响。

我们可以利用实验室实验方法来研究含水层中的吸附作用，假设地下水中溶质的浓度为C_l，吸附在含水层介质上的溶质量为C_s，含水层介质用X来表示，则有如下反应方程：

现代水文地质学

可以用分配系数（K_d）来描述上述反应：

现代水文地质学

我们可以通过一系列实验求得K_d。实际上，只有当地下水中溶质浓度较小时，才可以用式（5-22）来描述。在其他条件下的吸附关系见图5-2。在实际工作中，可利用实验求得含水层中的吸附关系曲线。

有机物的吸附作用也可以用分配系数来描述，但有机物在水中的部分远远小于其在固体有机物表面吸附的含量。有机物吸附作用的分配系数为：

现代水文地质学

其中：K_oc为在粒状有机碳介质中溶质的配比系数，f_oc为含水层中有机碳含量比例。K_oc的获取往往用有机溶质、水和辛醇进行实验，求溶质在辛醇中含量与在水中含量之比，然后利用下式计算：

图5-2 几种不同的吸附关系曲线

现代水文地质学

其中：a，b为系数，可通过实验资料求得。K_oc称为辛醇-水配比系数。此外，实验表明对于多数有机化合物，K_oc是其水溶解度的函数，即：

现代水文地质学

式中：α、β为系数，同样可通过实验资料求得；S_W为水溶解度。需要注意的是，如果f_oc＜0.01%时，则利用式（5-23）求有机物的分配系数意义不大，因为这时无机矿物对有机物的吸附作用有可能超过固体有机物质的吸附。

在实际水质模型模拟计算中，往往用阻滞因子（R）来描述含水层介质对溶质的吸附作用。对于不同的等温吸附关系，其计算方法也不同。

现代水文地质学

式中：ρ_β为含水层密度；η为孔隙度。

二、溶解与沉淀

当降水或地表水渗入地下与含水层介质接触时，水与岩石之间就要发生各种化学反应，而达到某种平衡状态。溶解与沉淀就是水-岩作用的一种，岩石介质中可溶性矿物将进入水中，使化学反应达到平衡。如果由于环境条件等的变化，使地下水中所溶解的离子超过了其饱和度，则会发生沉淀作用，使溶解物质脱离液相，而以固态沉淀出来。溶解与沉淀是一种动态的平衡，任何环境条件的变化，都会引起相关的反应，使水-岩系统达到新的平衡。以重晶石为例，其溶解方程为：

现代水文地质学

在简单的重晶石-水系统中，溶解的钡离子和硫酸根离子的活度应该相等，但在自然界中，由于存在其他化学组分参与重晶石的溶解沉淀反应，这两种离子的活度实际上是不相等的。一般用离子活度积（IAP）和矿物化学反应的平衡常数的比较来判定溶解沉淀反应的方向。

现代水文地质学

式中：SI称为矿物的饱和指数；K_矿物为含水层中地下水实际温度下反应的平衡常数。

SI=0；矿物与水达到了化学平衡；

SI＜0；水中矿物处于非饱和状态，有利于矿物的溶解作用；

SI＞0；水中矿物超饱和，会发生沉淀。

在实际判定溶解沉淀反应时，其关键是求得系统中的化学反应方程式和反应过程，如果系统比较复杂的话，需要进行仔细的分析判断。考虑到水样分析、活度计算、平衡常数计算等方面的误差，在评价时允许SI有一定的范围，一般为SI=0±0.5。