Question

水文地球化学概述

Answer 1

水文地球化学就是把地球化学理论、方法应用于地下水的研究中，其主要研究内容是：地下水的物质成分及其形成作用、地下水中化学元素的迁移形式以及人类活动对地下水化学成分的影响。早期水文地球化学是用来研究含水层中地下水类型和确定地下水的来源。目前，水文地球化学在地下水研究中起着非常重要的作用。如对含水层系统环境条件分析、污染质运移作用，以及污染恢复治理等都离不开水文地球化学。实际上，水文地球化学主要考虑的是一般温度下，在包气带和含水层中的水-岩作用。我们可以把这一水-岩作用系统视为一个动态的水文地球化学系统，由固相（矿物、非晶质和有机物质）、气相和水溶液组成。在天然状态下，地下水存在着补给、径流和排泄而不断循环。地下水的主要补给源，如降水，一般其溶解的化学组分浓度较低。当降水进入地下，破坏了地下环境中水-岩系统的平衡时，会使其发生一系列的化学反应，如矿物的溶解等，使系统向新的平衡方向发展。当存在人类活动影响时，如废水、固体废物等的污染，由于污染物质和其他较高浓度化学组分的进入，使地下水水-岩系统的水文地球化学环境发生较大的变化，从而极大地影响了水-岩的化学作用，并使地下水的水质状况发生较大的变化。

水文地球化学不仅在地下水研究中起重要的作用，如生活饮用和工业应用地下水、医疗保健矿泉水和热水等的开发利用，而且可以用来进行有色、稀有金属和石油、天然气等的找矿研究；还可以应用于地震、火山等灾害的预测中等等。随着社会经济的发展和科学技术的进步，水文地球化学的应用还将拓宽和扩大，它还将在地下水资源的合理开发利用与地下水环境保护中发挥越来越大的作用。

一、化学反应和平衡常数

水文地球化学主要研究在地下水-岩系统内，不同相（固、液、气）之间物质的迁移与作用。这些作用可以用化学反应来描述，如矿物的溶解沉淀、吸附解吸附、络合和氧化还原反应等。

任何一个化学反应进行的方向和程度，均与系统中化学反应产物的活度和参与化学反应物质的活度比值有关。这一比值决定了反应进行的方向。在给定温度和压力的条件下，当参与反应的物质达到化学平衡时，物质活度比值是一个常数。如考虑方解石的溶解沉淀问题，有如下化学反应方程：

现代水文地质学

在平衡时：

现代水文地质学

一般，对于任何化学反应：

现代水文地质学

式中：K为平衡常数；B、C、D、E为反应物和生成物；b、c、d、e为化学反应计量系数。不同化学反应的平衡常数（在25℃条件下）可以查表求得。对于给定的水文地球化学系统，首先要测定含水层的温度，然后利用Van't Hoff公式计算给定温度下的平衡常数。

现代水文地质学

其中：K₂、T₂分别为给定含水层系统中化学反应平衡常数和温度（绝对温度）；K₁为25℃时的化学反应平衡常数，T₁=298K（25℃），为反应焓的变化值（cal/mol），R=1.987 cal/（℃·mol）为气体常数。

二、岩土组成

地下水中溶解的化学组分的主要来源是与之接触的岩土介质。自然界的岩土物质都不同程度地存在着可被水溶解性；但也有一些介质能够吸附水中的化学组分。无论哪种作用都将改变地下水中溶解组分，影响这些成分在地下水中的迁移能力。所以研究自然界岩土的组成对于水文地球化学是很重要的。

岩石可以分为三大类：火成岩、变质岩和沉积岩。地下水可以存在于这三种岩石的孔隙、裂隙中，与岩石介质发生作用。岩石是由矿物和非晶质体组成的，对于火成岩来说，其主要形成矿物有：石英、长石、辉石、角闪石、黑云母、白云母和橄榄石；变质岩主要矿物有：石英、方解石、粘土、赤铁矿和源岩矿物；沉积岩常见组成矿物有：粘土、方解石、石英、水铁矿、白云石和源岩矿物。除矿物外，非晶质体也可以在某些岩石中占很大比重。矿物和非晶质体都是由化学元素组成的，在周期表中绝大多数的化学元素都可以在地壳表层岩石中发现，但地壳岩石的主要组成元素并不多（表5-1）。从表中可以看出：

表5-1 典型岩土中化学元素及含量

一些岩土中的主要元素同时也是地下水中的主要化学组成，如钙、镁、钠和无机碳等。这也反应了水-岩系统中相互作用的结果。但表5-1中岩石中含量高的其他元素如硅、铝等在地下水中的含量则非常小，这是因为硅、铝矿物在水中的溶解度太低。岩石中的矿物经过风化作用发生分解，在与降水的作用中，可溶的组分将发生溶解，风化后的一些产物，如粘土矿物、金属氧化物等，将是吸附作用的吸附介质。因此，岩土的组成对于地下水水质的形成具有重要影响（William J.Deutsch，1997年）。