水文地球化学基础知识.docx

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水文地球化学基础知识

《水文地球化学基础知识》

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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”。

△Hr=△H（生成物）-△H（反应物）△Hr为正值，属吸热反应，△Hr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。

活度及活度系数

为了保证计算的精确程度，就必须对水中组分的实测浓度加以校正，校正后的浓度为校正浓度，也就是活度。

质量作用定律中，浓度是以活度表示的。

活度是真实浓度（实测浓度）的函数，一般情况下，活度小于实测浓度。

活度与实测浓度的函数表示式为:

a=rmm为实测浓度（mol/L）,r为活度系数。

活度系数随水中溶解固体（矿化度）增加而减小，但一般都小于1

理想溶液：

从理论上讲，溶液中离子之间或分子之间没有相互作用，这种溶液称为理想溶液。

地下水中的溶解-沉淀

全等溶解：

矿物与水接触产生溶解反应时，其反应产物都是溶解组分，这种溶解反应称为全等反应；

非全等溶解：

矿物与水接触产生溶解反应时，其反应产物除溶解组分外，还有新生成的组分，这种反应称为非全等溶解

溶度积：

当难溶电解质溶于水而成饱和溶液时，溶液中同时存在的溶解离子和未溶解的固体。

按质量作用定律，在给定的温压下，溶液中相应方次的离子的活度乘积是一个常数，称为平衡常数K，对于难溶盐来说，这个常数称为“容积度”，或者“溶度积常数”常用KSP表示。

溶解度：

在给定温压下，达到溶解平衡时，溶液中溶解物质的总量。

在水文地球化学研究中，溶解度常用mg/L表示。

同离子效应：

一种矿物溶解于水溶液中，若水溶液中有与矿物溶解相同的离子，则这种矿物的溶解度就会降低，这种现象在化学上称为同离子效应。

盐效应：

矿物在纯水中的溶解度低于矿物在高含量水中的溶解度，这种含盐量升高使矿物溶解度增大的现象，在化学上称为盐效应。

其主要原因是，水中含盐量升高，离子强度I也升高，而活度系数则降低。

注：

就对溶解度的影响而言，同离子效应大于盐效应。

所以，在盐效应和同离子效应同时存在时，盐效应往往可忽略；如无同离子效应时，盐效应是应考虑的。

饱和指数

饱和指数是确定水与矿物出于何种状态的参数，以符号“SI”表示。

一般来说，根据饱和指数值判断水与岩石、矿物的反应状态，对于地下淡水来说，还是很有用的。

水质

用来描述不同用途的水的物理、化学及生物化学性质的一个术语。

第二节碳酸平衡

电中性条件

从宏观上讲，电解溶液的一个基本条件是电中性条件，即溶液中的正离子电荷总数等于负离子电荷总数。

水及弱酸的离解

纯水或含有其他溶质的水溶液中的水分子都会离解，其反应为：

H2O=H++OH-

按质量作用定律，达到离解平衡时可表达为：

KW=

式子中，KW是水的离解常数。

在稀溶液中，水的活度为1。

KW随温度而变化。

地下水中的碳酸平衡

地下水中的碳酸组成：

游离碳酸H2CO3、重碳酸HCO3-、碳酸CO32-

地下水系统中的碳酸平衡

闭系统：

该系统与大气没有co2交换，水与碳酸盐间的溶解反应所消耗的co2得不到补充，碳酸盐的溶解受到co2的控制，这种系统称为“闭系统”。

其特征是，Ca2+、HCO3-浓度较低，而pH值较高。

开系统：

该系统与大气有co2交换，水与碳酸盐间的溶解反应所消耗的co2不断得到补充，碳酸盐的溶解不受到co2的控制，这种系统称为“开系统”。

其特征是，Ca2+、HCO3-浓度较高，而pH值较底。

第三节地下水中络合物的计算

地下水中溶解组分的存在形式

地下水溶解组分的存在形式有三种：

（1）单一离子形式：

eg:

Ca2+/Mg2+/Na+/K+/Cl-/F-等；

（2）络阴离子形式：

eg:

SO42-/CO32-/HCO3-/NO-等；

（3）复杂络合物：

它包括无机络合物和有机络合物

主要七大离子：

Cl-SO4-HCO3-Na+K+Ca2+Mg2+

地下水中的络合物

地下水络合物：

由一中心离子（一般为金属阳离子）和其周围的配位体（一般为阴离子或中性成分）以配位键的方式集合在一起的复杂缔合物称为地下水络合物。

这种离子可能带电可能不带电。

地下水中长两组分的主要离子对：

CaSO40/MgSO40/NaSO4-/KSO4-/CaHCO3+/MgHCO30/NaHCO30/CaCO30/MgCO30/NaCO3-

地下水络合物的计算（具体计算形式详见课本p27）

第四节氧化还原反应

一、氧化还原反应基本原理

半反应式：

通常在化学反应式中电子转移和得失过程的反应式称半反应式；

eg:

O2+4H++4e=2H2O

标准电极电位（标准氧化还原电位）：

在标准状态下，金属与含有该金属离子且活度为1mol的溶液相接触的电位称为该金属的标准电极电位（由于标准电极电位表示物质氧化性及还原性的强弱，所以又称标准氧化还原电位），以符号E0表示，单位为V,每个半反应都有它的E0值。

能斯特方程

氧化还原电位（Eh）：

在实际的系统中，参加氧化还原反应的组分其活度一般都不是1mol，则该反应达平衡是的电位称为氧化还原电位，单位为V

Eh值与E0值和参加组分的活度有关，表示这种关系的方程为能斯特方程

Eh=E0+

二、Eh-PH图的绘制

Eh-PH图是以Eh为纵坐标，pH为横坐标，表示在一定的Eh值和PH值范围内，各种溶解组分及固体组份稳定场的图解，因此也称为稳定场图

注：

Eh-PH图在天然地下水系统中，只能预测水溶液在一定的Eh-PH范围内可能出现的溶解组分及固体类型，但不能预计其反应速率。

Eh-PH图的局限性：

（1）所有的Eh-PH图仅代表标态下的稳定场范围，而实际情况常常偏离标准状态；

（2）野外实测的Eh值并不与某种金属离子严格相关；（3）Eh-PH图的绘制并未考虑离子强度及离子络合的影响。

因此，Eh-PH图只是一种简化的理想模型。

三、地下水中的氧化还原反应

地下水中的主要氧化还原元素：

铁、氮、硫、锰、铬（Cr）、砷（As）

控制地下水系统氧化还原状态的因素：

主要取决于通过循环进入该系统的氧量，以及通过细菌分解有机物所消耗的氧量，或氧化低价金属硫化物、含铁硅酸盐和碳酸盐所消耗的氧量。

（进入的氧量>=消耗的氧量，则为氧化状态；反之，则为还原状态）。

影响地下水氧化还原状态的因素：

1.包气带的性质及其透水性。

2.含水层中有机物及其它还原剂的含量。

3.地下水循环途径。

地下水系统中，消耗氧的氧化还原反应，多半发生在地下水面以上的包气带里。

只要包气带及含水层里有少量的有机物，水中的溶解氧很快被耗尽。

在此过程中，微生物起到催化作用。

第五节吸附作用

吸附：

吸附是固体表面反应的一种普遍现象。

在液相与固相接触时，液相和固相表面之间常常产生物质交换，这种现象称为吸附。

一、吸附种类和吸附机理

物理吸附：

其吸附的键联力为静电引力，键联力较弱，因此已吸附在颗粒表面的离子，在一定条件下，可悲液体中的另一种离子所替代，所以物理吸附也称为“离子交换”。

化学吸附：

被吸附的离子进入颗粒的结晶格架，成为晶格的一部分，它不可能再返回溶液，是一种不可逆反应。

这种现象也成为“特殊吸附”。

二、离子交换

地层中的吸附剂：

凡能吸附液相中溶解离子的固体均称为吸附剂

阳离子交换容量：

某种岩石、矿物和松散沉积物的吸附能力往往以交换容量，主要是阳离子交换容量来衡量，其含义是每百克干土（岩）所含的全部交换型阳离子的毫克当量数，其单位是meq/100g

阴离子吸附：

（1）PO42-易于被高岭土吸附；

（2）硅质胶体易吸附PO42-、AsO43-，不易吸附SO42-、Cl-和NO3-；（3）阴离子被吸附的顺序为：

F->PO42->HPO4->HCO3->H2BO3->SO42->Cl->NO3-

阳离子吸附亲和力：

H+>Rb+>Ba2+>Sr2+>Ca2+>Mg2+>NH+>K+>Na+>Li+

注：

吸附亲和力很弱的离子，只要浓度足够大，也可以交换吸附亲和力很强而浓度较小的离子。

第二章<地下水的化学成分的组成>

第一节天然水的组成

一、水的结构和特性

水分子的缔合作用：

相邻水分子间由于有氢键联结，使水能以（H2O）n巨型分子存在，但它不会引起水的化学性质的改变，这种现象称为水分子的缔合作用

水的缔合程度随温度降低而增强，当温度为4℃时，缔合程度最大，水的密度也最大。

水的特异性质：

1.水具有独特的物理性质：

（1）水的生成热很高（即热稳定性很高）

（2）水具有很高的沸点和达到沸点以前极长的液态阶段

2.水具有较大的表面张力；3.水具有较小的粘滞度和较大的流动性；4.水具有较高的介电效应；5.水具有使盐类离子产生水化作用的能力；6.水具有良好的溶解性能

二、天然水组成分类

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）按颗粒大小溶液胶体悬浮液

（二）按化合物类型无机物有机物金属元素络合物及有机络合物

（三）按状态固相液相气相

（四）按相对浓度宏量元素中量元素微量元素

第二节天然水的化学特性

一、大气降水的成分特征

大气是个五成分三相系统，五成分是氮、氧、惰性气体、二氧化碳及水；三相是水、气、冰

二、海水的成分特征

（一）无机组分:

1.宏量组分（Cl-、Na+、Mg2+、Ca2+）2.中量组分（Sr、SiO、B、F）3.微量组分（P、I、Ba）

（二）有机物碳水化合物、蛋白质、缩氨酸等

三、河水的成分特征

（一）无机物

不同地区的岩石、土壤组成决定着该地区的河水的基本化学成分。

在结晶岩地区，河流水中溶解离子含量较少；在石灰岩地区，河水中富含Ca2+及HCO3-；若河流流经白云岩及燧石层时，水中Mg2+、Si含量增高；河流流经石膏层是，使水中富含SO42-,且总含盐量有所增加；富含吸附阳离子的页岩及泥岩地区则像河水提供大量溶解物质，如Na+、K+、Mg2+

（二）有机物大多为死亡或腐烂的植物

第三节元素的水文地球化学特性

地壳中丰度较高的元素：

硅铝铁锰

地壳中的宏量元素：

钙