1-水文地球化學(xué)導(dǎo)論

1、水文地球化學(xué),主講：郭清海,中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）環(huán)境學(xué)院,一門關(guān)于地下水的科學(xué),導(dǎo) 論,授課內(nèi)容,水文地球化學(xué)的學(xué)科歸屬水文地球化學(xué)的含義水文地球化學(xué)的研究意義水文地球化學(xué)的研究進(jìn)展水文地球化學(xué)的研究方法應(yīng)具備的基礎(chǔ)知識(shí)參考資料,水文地質(zhì)學(xué)研究對(duì)象：地下水研究內(nèi)容：在巖石圈、水圈、大氣圈、生物圈及人類活動(dòng)的相互作用下，地下水的水量與水質(zhì)的時(shí)空變化規(guī)律研究目的：以上述基本規(guī)律為指導(dǎo)原則，有效調(diào)節(jié)、控制、利用地下水，達(dá)

2、到興利避害，為人類服務(wù)的目的地下水水量的變化規(guī)律的研究屬于地下水動(dòng)力學(xué)、地下水流數(shù)值模擬的范疇地下水水質(zhì)的變化規(guī)律的研究屬于水文地球化學(xué)的范疇在此研究領(lǐng)域內(nèi)，水文地球化學(xué)模擬的基本理論與技術(shù)方法正日益受到重視盡管目前尚未開設(shè)專門講述水文地球化學(xué)模擬的課程，但在本課程中，將涉及水化學(xué)模擬及其應(yīng)用方面的內(nèi)容,水文地球化學(xué)的學(xué)科歸屬,“水文地球化學(xué)”概念的由來,該術(shù)語的英文名稱：Hydrogeochemistry簡寫為“HGC”1

3、929年，原蘇聯(lián)杰出的地球化學(xué)家維爾納茨基于在俄羅斯礦物學(xué)會(huì)宣讀了一篇論文，率先科學(xué)地闡明了水文地球化學(xué)所研究的內(nèi)容1938年，原蘇聯(lián)著名水文地質(zhì)學(xué)家奧弗琴尼柯夫正式提出了這一術(shù)語,我國水文地球化學(xué)的奠基人沈照理教授對(duì)HGC基本含義的概括：,HGC是在水文地質(zhì)學(xué)與地球化學(xué)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，已成為一門獨(dú)立的學(xué)科HGC的主要研究對(duì)象為地下水化學(xué)成分的形成、演化、遷移、富集規(guī)律,HGC是水文地質(zhì)學(xué)的分支學(xué)科,一方面：地下水化學(xué)成分及其變

4、化規(guī)律是水文地質(zhì)條件的重要組成部分，水化學(xué)場(chǎng)的變化往往與水動(dòng)力場(chǎng)相對(duì)應(yīng),,分帶： 潛水埋藏帶 溢出帶 潛水下降帶 鹽分溶濾帶 鹽分過路帶 鹽分積聚帶,干旱地區(qū)山間盆地洪積扇典型水文地質(zhì)分帶,另一方面：HGC的研究離不開水文地質(zhì)條件的深入分析。,人們?cè)缫颜J(rèn)識(shí)到，地下水化學(xué)成分是水-巖相互

5、作用的產(chǎn)物，如希臘名言：水流經(jīng)的巖石怎樣，水也就怎樣?？墒沁@一規(guī)律有時(shí)還無法解釋地下水化學(xué)成分的特殊性。比如，在圍巖巖性相同的情況下（如灰?guī)r），水化學(xué)成分可以大相徑庭。例如：同是嘉陵江組（T1J）的白云巖：位于淺部水交替積極地段的巖溶水為TDS很低的HCO3-Ca-Mg水，而位于深部水交替滯緩地段的巖溶水為CaCl2型鹵水要合理解釋這種現(xiàn)象，就不能不分析這一地區(qū)的水文地質(zhì)條件，尤其是這一地區(qū)的地質(zhì)發(fā)展歷史和古水文地質(zhì)條件。CaMg

6、(CO3) 2 (白云巖) + 2CO2 + 2H2O = Ca2+ + Mg2+ + 4HCO3-2 CaCO3 (灰?guī)r) + MgCl2 = CaMg(CO3) 2 (白云巖) + CaCl2,HGC是在水文地質(zhì)學(xué)與地球化學(xué)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一門獨(dú)立學(xué)科,HGC奠基人是地球化學(xué)家維爾納茨基創(chuàng)始人是水文地質(zhì)學(xué)家奧弗琴尼柯夫地球化學(xué)VS HGC是研究地球元素的遷移、富集規(guī)律的一門學(xué)科，是研究地球的化學(xué)組成、化學(xué)作用及化學(xué)演

7、化的科學(xué)地球化學(xué)的研究范圍涵蓋了大氣圈、水圈、生物圈和巖石圈，而水文地球化學(xué)側(cè)重于研究水圈、尤其是地下水圈。地球化學(xué)不考慮地下水動(dòng)力場(chǎng)，水文地球化學(xué)考察在地下水流動(dòng)過程中化學(xué)組分的變化規(guī)律。地球化學(xué)的一些基本原理和工作方法，同樣適合于HGC的研究，如元素克拉克值（地殼中化學(xué)元素平均含量的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)）的概念，pH-Eh相圖法等，均可用于HGC的研究。,HGC的主要研究對(duì)象為地下水化學(xué)成分的形成、演化、遷移、富集規(guī)律,上述論斷也是HG

8、C的傳統(tǒng)定義地下水中的化學(xué)組分地殼中含有87種穩(wěn)定元素，至今已在地下水中發(fā)現(xiàn)了70多種；元素在地下水中除以簡單和復(fù)雜離子形式存在外，還以絡(luò)合物、氣體等形式存在；地下水中不僅有大家所熟知的無機(jī)組分如K、Na、SO4、Cl、HCO3、CO2等，還存在有機(jī)物、微生物。 地下水系統(tǒng)中的水文地球化學(xué)過程,HGC的研究意義,理論意義曾有科學(xué)家把水稱為科學(xué)的鏡子，即對(duì)水的研究程度反應(yīng)著科技的發(fā)展水平；以水圈的重要組成部分—地下水作為主要研

9、究對(duì)象的HGC，有助于闡明地球上水的形成與起源。,,水文循環(huán)：小循環(huán)+大循環(huán),,,地質(zhì)循環(huán)（水的分解與合成）水的起源和地球化學(xué)演化,1—幔源初生水；2—返回地幔的水；3—重結(jié)晶脫出水（再生水）；4—沉積水；5—埋藏水；6—地內(nèi)水循環(huán)；7—小循環(huán)；8—大循環(huán)；9—地下徑流；10—地表徑流,Ⅰ—海洋水Ⅱ—沉積蓋層Ⅲ—地殼的晶質(zhì)巖Ⅳ—巖漿源Ⅴ—地幔巖Ⅵ—大陸冰蓋,V,IV,III,II,I,I,VI,,地下水起源與巖漿水,實(shí)際意

10、義地下水污染預(yù)防和控制包括：含水層自凈化研究、地下水污染敏感性研究以及污染源控制地下水污染治理研究包括：污染場(chǎng)地治理、地面凈化處理尋找適于飲用的優(yōu)質(zhì)地下水和天然礦泉水，并對(duì)其進(jìn)行水文地球化學(xué)評(píng)價(jià)查明地方病與水土環(huán)境的關(guān)系，為防治地方病服務(wù),HGC的研究意義,天然劣質(zhì)地下水是我國農(nóng)村重要的飲水安全問題,農(nóng)村：天然劣質(zhì)地下水,城市：地下水污染,氟斑牙患者: 2100 多萬人氟骨癥患者: 100 多萬人,飲用

11、水中氟化鈣的形成會(huì)影響牙齒的鈣化，使牙齒鈣化不全，牙釉質(zhì)受損,氟斑牙,氟骨癥,體中吸收過量的氟會(huì)引起氟骨癥早期出現(xiàn)四肢、脊柱骨骼和全身各關(guān)節(jié)疼痛、全身乏力，嚴(yán)重的可造成肢體功能發(fā)生障礙，全身骨骼和關(guān)節(jié)變形，甚至癱瘓；內(nèi)蒙阿拉善右旗雅布賴鹽池地區(qū)飲用水中含氟量達(dá)10 mg/L。飲用水氟含量達(dá)4 mg/L即可導(dǎo)致氟骨癥；超過10 mg/L時(shí)，會(huì)引起殘廢。根據(jù)國外文獻(xiàn)攝入15 ～20 mg/d，持續(xù)10 a后，可出現(xiàn)氟骨癥; 攝

12、入總量為20 mg /d，持續(xù)20 a以上，可導(dǎo)致殘廢。,高砷地下水已相繼在全球 70多個(gè)國家和地區(qū)被發(fā)現(xiàn)，威脅著約 1.5 億人口的供水安全，導(dǎo)致數(shù)千萬人罹患飲水型砷中毒，被認(rèn)為是人類歷史上最嚴(yán)重的群體性中毒事件,高氟水 高砷水 高腐殖酸水 苦咸水 高碘水 ……,影響人口：267 萬人暴露人口：57 萬人砷中毒患者：據(jù)已有地質(zhì)調(diào)查地區(qū)不完全統(tǒng)計(jì)，逾幾十萬人,,砷中毒區(qū),,砷暴露區(qū),我國地方性砷中毒分布圖,砷中毒可導(dǎo)致：皮

13、膚病變乃至癌變 還對(duì)胃腸道系統(tǒng)、呼吸系統(tǒng)和神經(jīng)系統(tǒng)產(chǎn)生影響,砷中毒,砷中毒,砷中毒,地方性甲狀腺腫,俗稱“大粗脖”，以甲狀腺腫 大為主要病癥分布很廣世界約有16億人生活在碘嚴(yán)重缺乏地區(qū)，中國就有4.25億亞洲的喜馬拉雅山地區(qū)——非洲的剛果河流域——南美的安第斯山區(qū)——?dú)W洲的阿爾卑斯山區(qū)——北美的美國和加拿大之間的大湖盆地周圍以及太平洋新西蘭的一些地區(qū)我國除上海市以外

14、，各省、自治區(qū)、直轄市都有不同程度的地方性甲狀腺腫流行區(qū)缺碘性甲狀腺腫病人3000多萬人地方性克汀病的人數(shù)超過25萬,地方性克汀病,地方性克汀病是由于更嚴(yán)重的缺碘而引起的。它主要表現(xiàn)為癡、呆等病癥。在嚴(yán)重的甲狀腺腫流行區(qū)，孕婦缺碘，造成胎兒甲狀腺激素缺乏，患病小孩出生后，就會(huì)表現(xiàn)不同程度的呆、小癥狀，所以本病又稱“呆小癥”。,是一種以軟骨壞死為主要改變的地方性變形性骨關(guān)節(jié)病，研究表明可能主要與缺硒有關(guān)。主要發(fā)生于兒童和少年，臨床

15、表現(xiàn)為關(guān)節(jié)疼痛、增粗變形，肌肉萎縮，運(yùn)動(dòng)障礙。本病在我國分布于由東北斜向西南的寬帶狀地域內(nèi)，包括14個(gè)省、市、區(qū)的302個(gè)縣,硒地方病-大骨節(jié)病,中國大骨節(jié)病分布,地理分布東南溫暖濕潤地帶與西北寒冷干旱地帶之間的過渡地區(qū)以山區(qū)、半山區(qū)、丘陵地多見。山谷、河谷、等低洼潮濕地區(qū)發(fā)病尤重。病區(qū)大至與土壤低硒地帶一致,硒地方病-大骨節(jié)病,西藏大骨節(jié)病區(qū)分布示意圖,桑日大骨節(jié)病區(qū)一角,桑日大骨節(jié)病區(qū)病例,青稞地土壤采樣,水質(zhì)改良是解決天然

16、劣質(zhì)地下水分布區(qū)飲水安全的根本,開發(fā)新的替代水源，非長久之計(jì)引水或利用深層地下水的成本高，有的地區(qū)根本沒有替代水源深層地下水的持續(xù)開發(fā)，可能引發(fā)上覆劣質(zhì)水的越流補(bǔ)給天然劣質(zhì)地下水對(duì)當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境造成潛在威脅對(duì)天然劣質(zhì)地下水進(jìn)行科學(xué)改良增加了當(dāng)?shù)乜衫玫牡Y源避免產(chǎn)生次生地質(zhì)環(huán)境問題對(duì)于貧困地區(qū)或沒有地下淡水水源可供開發(fā)的地區(qū)是唯一途徑,地?zé)豳Y源,地?zé)崮艿目偭恐蟪跞藗兿胂?。僅地殼最外層10 公里范圍內(nèi)，就擁有1254

17、億億億焦熱量，相當(dāng)于全世界現(xiàn)產(chǎn)煤炭總發(fā)熱量的2000 倍。地?zé)岚l(fā)電要比水力發(fā)電的潛力大100 倍?？晒├玫牡?zé)崮芗词拱吹責(zé)崮芸偭康?％計(jì)算，僅地下3 公里以內(nèi)可開發(fā)的熱能，就相當(dāng)于2.9 萬億噸煤的能量。,地?zé)崃黧w地球化學(xué),我國的地?zé)豳Y源,我國的地?zé)豳Y源也非常豐富。目前已發(fā)現(xiàn)的地?zé)崧额^有2700多處（包括天然和人工露頭），還有大量地?zé)崧癫卦诘叵律写l(fā)現(xiàn)。我國大多數(shù)?。▍^(qū)）都有為數(shù)不同的地?zé)崧额^，地?zé)狳c(diǎn)分布比較多的有：云南（345處

18、），西藏（342）處，河北（320處），四川（295處），廣東（229處）等省區(qū)。我國地?zé)豳Y源大部分屬于中低溫?zé)崴?0℃以上的地?zé)狳c(diǎn)只有600多處。從我國地?zé)岱植记闆r來看，有從中部向東部大陸邊緣和西南部地?zé)釘?shù)量逐漸增多和水溫逐漸增高的趨勢(shì)。,地?zé)崃黧w地球化學(xué),,距拉薩150多公里的念青唐古拉山腳下一處地?zé)釃娙?昂仁搭各加地?zé)釃娙?陽明山地?zé)峁?羊易熱泉,我國典型高溫地?zé)?地?zé)犷I(lǐng)域的科學(xué)問題,實(shí)際問題高溫水熱系統(tǒng)是否具有發(fā)電潛力？

19、地?zé)崃黧w中污染組分在其排放入地表環(huán)境和淺部地下環(huán)境后的遷移、轉(zhuǎn)化、蓄積規(guī)律如何，是否會(huì)有不良環(huán)境影響？科學(xué)問題水熱系統(tǒng)的巖漿熱源的類型、規(guī)模和形成機(jī)制如何，對(duì)水熱系統(tǒng)的歷史演變和未來演化有何影響？巖漿熱源的深部脫氣過程所產(chǎn)生的巖漿流體具有怎樣的地球化學(xué)特征，如進(jìn)入地?zé)醿?chǔ)，在母地?zé)崃黧w中的貢獻(xiàn)如何？,水文地球化學(xué)的研究進(jìn)展,除使用常量組分外，大量使用微量組分、同位素?cái)?shù)據(jù)揭示地下水化學(xué)成因除無機(jī)組分外，越來越注意到有機(jī)組分（鹵代烴、

20、有機(jī)氯農(nóng)藥、環(huán)境內(nèi)分泌干擾物 ）的遷移、富集水文地球化學(xué)模擬技術(shù)在近年來得到了迅速發(fā)展水化學(xué)統(tǒng)計(jì)正向水文地球化學(xué)模擬反向水文地球化學(xué)模擬化學(xué)動(dòng)力學(xué)模擬反應(yīng)性溶質(zhì)運(yùn)移模擬,研究方法,野外調(diào)查水文地質(zhì)調(diào)查水文地球化學(xué)采樣室內(nèi)分析測(cè)試實(shí)驗(yàn)室模擬計(jì)算機(jī)模擬,應(yīng)具備的基礎(chǔ)知識(shí),巖石學(xué)、礦物學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)水文地質(zhì)學(xué)基礎(chǔ)、地下水動(dòng)力學(xué)知識(shí)普通化學(xué)、物理化學(xué)知識(shí),參考資料,Ground WaterWater Resources