第四章 水的地球化学循环及水文地球化学分带
水文地球化学
1.总溶解固体（TDS）：指水中溶解组分的总量，包括了水中的离子、分子及络合物，但不包括悬浮物和气体。
2.生化需氧量（BOD）：至水中的微生物在降解水中有机物的过程中所消耗的氧的量。
3.化学需氧量（COD)：指采用化学氧化剂氧化水中的有机物和还原性无机物所需要消耗的氧的量。
4.离子交替吸附作用：当溶液中的一种离子被吸附到固体表面上时，固体表面上的另一种同性离子发生解析并释放出其所占据的表面空间。
5.阳离子交换容量：每100g干吸附剂可吸附阳离子的毫克当量数。
6.水动力弥散：示踪剂在注入地下水后，它就在流场中逐渐传播扩展，占据的区域越来越大，超出了按宏观平均流动所预期的范围。
7.弥散通量：由于弥散作用所引起的单位时间通过单位溶液面积的溶质质量。
8.同位素分馏：同位素以不同比例分配于两种物质或物相中的现象。
9.同位素交换反应：在同一体系中，物质的化学成分不发生改变（化学反应处于平衡状态），仅在不同的化合物之间、不同的物相之间或单个分子之间发生同位素置换或重新分配的现象。
10.等温吸附方程：在一定温度下达到吸附平衡是，溶质在液相中的浓度与其在固相中的含量之间的关系。
11.地下水污染：凡是在人类活动影响下，水质变化朝着恶化方向发展的现象。
12.水文地球化学：是研究地下水中化学组分的形成、分布、迁移和富集规律及其在生产实际中应用的一门科学。
13.同位素比值：样品中某元素的重同位素与常见轻同位素含量或丰度之比。
14.同位素丰度：某元素的各种同位素在给定的范畴，如宇宙、大气圈、水圈、岩石圈、生物圈中的相对含量称为~15.千分偏差值：样品的同位素比值相对于标准样品同位素比值的千分偏差。
16.碳酸盐硬度：由碳酸盐和重碳酸盐所引起的碱度称为~（又叫暂时硬度）。
17.非碳酸盐硬度：总硬度与碳酸盐硬度之差被称为~（又叫永久硬度）。
18.总有机碳TOC：~是水中各种形式有机碳的总量，以mg/L表示。
19.试说明影响大气降水氢、氧稳定同位素组成的主要因素有哪些，他们是怎么影响大气降水的同位素成分的？答：主要受两种因素的控制，其一为入渗雨水及地表水的同位素组成特征，其二是渗入地下室后的同位素组成所发生的变化。
水文地球化学基础知识【】
水文地球化学基础知识【】work Information Technology Company.2020YEAR《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 (4)第二节碳酸平衡 (6)第三节地下水中络合物的计算 (7)第四节氧化还原反应 (8)第二章地下水的化学成分的组成第一节天然水的组成 (10)第二节天然水的化学特性 (10)第三节元素的水文地球化学特性 (11)第四节天然化学成分的综合指标（三种） (11)第五节地下水化学成分的数据处理 (11)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 (11)第二节渗入成因地下水化学成分的形成与特征 (12)第三节沉积成因地下水化学成分的形成与特征 (12)第四章水的地球化学循环第一节地下水圈的概念 (13)第二节地壳中水的地球化学循环 (14)第三节成矿过程中水的地球化学循环 (14)第五章水文地球化学的应用第六章补充部分 (16)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。
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
当 pH ＜9时，上式中的 (H+)、 (OH-) 和(CO32-)的浓度比 (Ca2+)和 (HCO3-) 相对小得多，因此，可忽略不计，则方程可变为：
2(Ca2+) = (HCO-3) ，或 (Ca2+) = (HCO3-)/2
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
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
CO 2 ( g ) H 2O H 2CO 3 (aq)
K CO 2
H 2CO 3
PCO 2
H 2CO3 H HCO
3
K1
H HCO
HCO H CO
3、温度和压力
温度和压力对某些矿物，如石英、玉髓、非晶质 SiO2的溶解度有显著影响。
在结晶岩地区的热泉口，由于温度和压力降低，SiO2 的溶解度也降低，形成硅华；
碳酸盐矿物的溶解度取决于CO2分压，pH值，温度等，
一般而言， CO2分压越高、温度越低，气体在水中的
溶解度越大，如CO2分压降低则发生脱碳酸作用，形
2、pH值
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）
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
水文地球化学精品课程
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研究水文系统中水文过程、物质迁移和转化的学科。
它涵盖了水文学、地球化学、环境科学等多个学科的知识体系，并提供了深入理解水文过程和水资源管理的工具。
本文将介绍一门关于水文地球化学的精品课程，该课程旨在为学生提供全面、深入和综合的水文地球化学知识。
2. 课程内容2.1 基础知识掌握在课程初级阶段，学生将学习水文学和地球化学的基础知识，包括水文循环、地下水运动、水文过程的数学建模，以及基本的地球化学原理和物质迁移过程。
通过理论课和实验室实践，学生可以掌握水文地球化学的基本概念和工具。
2.2 水文地球化学过程研究随着课程的深入，学生将学习水文地球化学的各个过程，如水文循环中的降水、蒸发和径流过程，地下水运动和污染物迁移过程等。
通过深入研究这些过程的机理和影响因素，学生能够理解和预测水文地球化学过程的变化和演化规律。
2.3 水资源管理和环境保护本课程还将重点讲解水资源管理和环境保护方面的内容。
学生将学习如何有效利用和管理水资源，如地下水开采和水质保护措施等。
他们还将了解水文地球化学在环境保护中的应用，如水污染治理和生态修复等。
这些知识对于解决当前和未来的水资源问题至关重要。
3. 课程教学方法3.1 理论课讲授课程将通过理论课的讲授来传授水文地球化学的相关知识。
教师将从基础概念入手，逐步深入讲解各个过程和理论模型，并结合案例和实例进行说明。
这种由浅入深的教学方式有助于学生逐步建立知识体系，更好地理解水文地球化学的复杂性。
3.2 实验室实践为了巩固理论知识，并提供实践机会，课程还设置了实验室实践环节。
学生将亲自进行实验和数据分析，以探究水文地球化学过程和机制。
这些实验能够培养学生的实际动手能力和创新思维，使他们能够独立进行研究和解决问题。
3.3 案例分析和论文阅读为了拓宽学生的视野，课程还组织了案例分析和论文阅读的活动。
学生将学习水文地球化学领域的前沿研究，了解最新的研究进展和趋势。
地下水 水文地球化学
地下水水文地球化学地下水是地球上存在的一种重要的水资源，对于水文地球化学的研究有着重要的意义。
本文将从地下水的形成、组成和水文地球化学的相关研究内容进行阐述。
地下水是指位于地下的水体，主要来源于降雨和地表径流的渗透，并经过多种地质和地球化学过程的作用而形成。
地下水在地下岩石中通过孔隙和裂隙储存，并与岩石中的矿物质发生相互作用，形成了独特的水文地球化学特征。
地下水的组成主要包括水分子、溶解质和悬浮物。
水分子是地下水的基本组成部分，溶解质包括无机盐、有机物和气体等，而悬浮物则主要来自于地下岩石的颗粒物质。
地下水的组成对于水文地球化学的研究有着重要的影响。
水文地球化学是研究地下水的化学特征和地球化学过程的学科。
它主要包括地下水的水化学特征、地下水的起源和演化、地下水与岩石的相互作用等内容。
通过对地下水的水化学特征的研究，可以了解地下水的来源、地下水的运移、地下水的质量等信息，对于地下水资源的合理开发和利用具有重要的指导意义。
地下水的水化学特征主要包括pH值、电导率、溶解氧等指标。
这些指标可以反映地下水的酸碱性、盐度和含氧量等信息。
地下水的pH 值反映了地下水的酸碱性，通常在7左右为中性。
地下水的电导率反映了地下水中溶解物质的含量和种类，电导率越高，溶解物质的含量越多。
地下水的溶解氧反映了地下水中氧气的含量，溶解氧的含量越高，地下水的水质越好。
地下水的起源和演化是地下水研究的重要内容之一。
地下水的起源主要包括大气降水、地表水和地下水的补给。
地下水的演化包括地下水的成因、地下水的渗流和地下水的补给等过程。
地下水与岩石的相互作用是地下水研究的另一个重要内容，它包括地下水中溶解物质的来源和地下水与岩石的反应等过程。
地下水的水文地球化学研究在地下水资源的开发和利用中具有重要的意义。
通过对地下水的水化学特征的研究，可以了解地下水的水质状况，从而制定合理的水资源管理措施。
通过对地下水的起源和演化的研究，可以了解地下水的补给途径，从而指导地下水资源的合理开发和利用。
第四章 同位素水文地球化学
2．零点能的概念：不同的同位素组成的分子具有一 些不连续的能级，其中最低的能级称之零点能。在 化学式相同的分子中，由轻同位素组成的分子的零 点能较大，而由较重同位素组成的分子的零点能较 小。这意味着含重同位素分子的基本振动频率较低， 要破坏一个含重同位素分子需要更多的能量。 一般来说，同位素的分馏效应与分子的平动能、转 动能和振动能都有关，但与温度有关的同位素分馏 效应却只取决于分子的振动能。
2．同一元素的同位素质量数不同，由它的形成 的不同化合物之间的物理化学性质存在差异。 例如：水由氢、氧同位素可以组成9种同位 素水分子类型，分子量为18的H216O分子在天然 水的含量中占绝对优势，而其它相对较重的同 位素水分子则以不等的痕量形式存在。H2O和 D218O的物理性质和分子量，密度、粘度以及一 些热力学性质，如：蒸汽压、熔点、沸点、生 成热、焓等）都存在明显的差别。
4. δ值：样品中两种稳定同位素的比值相对于某种 标准对应比值的千分差值：
δ(‰)=｛ （Rx—Rs）/ Rs ｝× 1000
例如：硫同位素以迪亚布洛峡谷铁陨石中陨 硫 铁 的 硫 为 标 准 (CDT) ， 这 个 标 准 硫 的 34S/32S=0.0450045。它的同位素组成相当于整个地 球的平均同位素组成。样品的δ34S为“+”时，表示 样品比标准富34S，相反表示贫34S。 定义δ值的目的在于： ① 因为自然界的稳定同位素组成的变化很微，用 δ值可以明显表示变化的差异； ② 便于全世界范围内数据大小的对比。
–
二、稳定同位素分类：
1．轻质量稳定同位素：氢、氧、碳、硫 特点：（1） 同位素组成变化大； （2） 同位素分馏的原因：在于元素 的物理化学和生物作用。 2．重质量数稳定同位素：锶、钕、铅等 特点：（1）同位素组成的变化相对小些； （2）同位素组成变化的原因，主要 是由于它们的放射性母体同位素的衰变所引起 的。
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水在地壳中的 地球化学循环 示意图
水的分解：表生带风化作用下，铝硅酸盐水解产生新的粘土矿物，促使水的离解作用顺利进行。 水的分解：表生带风化作用下，铝硅酸盐水解产生新的粘土矿物，促使水的离解作用顺利进行。 NaAlSi3O8+CO2+H20 →Na++HCO-3+Al2Si2O5(OH) 4+H4SiO4 HCO- → H++ CO3 2-
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。
Ca
Ca
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）
2.1 承压水盆地水文地质动力分带
按承压水盆地中水交替速度，分为： 按承压水盆地中水交替速度，分为： 水强烈交替带（上部带）：位于地方水系排泄范围内 水强烈交替带（上部带）：位于地方水系排泄范围内，水 ）：位于地方水系排泄范围内， 的运动速度相对较快，资源更新周期几十—几百年； 的运动速度相对较快，资源更新周期几十 几百年； 几百年 水缓慢交替带（中部带）：位于地方侵蚀基准面和海平面 水缓慢交替带（中部带）：位于地方侵蚀基准面和海平面 ）： 之间，地下水运动速度较慢，水交替周期几万年、 之间，地下水运动速度较慢，水交替周期几万年、甚至几十 万年； 万年； 水消极交替带（下部带）：分布在海平面以下， 水消极交替带（下部带）：分布在海平面以下，水几乎处 ）：分布在海平面以下 于滞留状态，地下水更新周期可达几百万、甚至上千万年。 于滞留状态，地下水更新周期可达几百万、甚至上千万年。
铝硅酸盐+水 粘土+ 水离解的离子与矿物固定） 铝硅酸盐 水+ CO2=粘土 碳酸盐 （水离解的离子与矿物固定） 粘土
水的分解到此并未结束。在深部，压力增大时， 水的分解到此并未结束。在深部，压力增大时，表生带风化作用形成的高岭石和蒙 脱石消失，变化为伊利石和绿泥石，这一过程伴随着十分广泛的水解作用。 脱石消失，变化为伊利石和绿泥石，这一过程伴随着十分广泛的水解作用。如蒙脱石转 化为绿泥石时，相当蒙脱石重量的35%以上的水受到分解并被固定。 以上的水受到分解并被固定。 化为绿泥石时，相当蒙脱石重量的 以上的水受到分解并被固定 水的合成：区域变质带中，变质作用过程中，大多是脱水，脱气。 水的合成：区域变质带中，变质作用过程中，大多是脱水，脱气。粘土矿物与碳酸盐重 结晶，转变为铝硅酸盐， 重新化合，生成水。岩浆形成要吸水。 结晶，转变为铝硅酸盐，H+与O2-重新化合，生成水。岩浆形成要吸水。
沉积盆地承压含水层地下水化学成分反垂直分带（3） 沉积盆地承压含水层地下水化学成分反垂直分带（ ） （ 两个承压含水层地下水补给区标高明显不同 ）
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
在有有机质和微生物条件下，硫酸盐还原作用：SO4-Na→HCO3-Na； 在有有机质和微生物条件下，硫酸盐还原作用： ； Cl-, Na+: 可能来自海相封存水。 可能来自海相封存水。
沉积盆地承压含水层地下水化学成分水平分带（ ） 沉积盆地承压含水层地下水化学成分水平分带（3）
垂直分带：承压水盆地埋藏着几个含水层时， 垂直分带：承压水盆地埋藏着几个含水层时，沿垂向 上水化学成分分带规律。 上水化学成分分带规律。
2.2 承压水盆地地下水化学成分分 水平分带：在一个含水层中水化学成分的分带规律。 水平分带：在一个含水层中水化学成分的分带规律。
水化学成 为什么 过渡类型
Ca
溶滤作用； 溶滤作用； 非海相沉积
沉积盆地承压含水层地下水化学成分水平分带（ ） 沉积盆地承压含水层地下水化学成分水平分带（1）
2 水文地球化学分带
地下水分布的主要规律之一是它的分带性。 地下水分布的主要规律之一是它的分带性。地 下水的分带性主要表现为水文地质动力分带 水文地质动力分带和 下水的分带性主要表现为水文地质动力分带和水 文地球化学分带。 文地球化学分带。 水文地球化学分带包括潜水的纬度分带和承压 水的水平和垂直分带。 水的水平和垂直分带。
沉积盆地承压含水层 地下水化学成分形成过程示意图
Ca
过渡类型 沉积盆地承压含水层地下水化学成分水平分带（ ） 沉积盆地承压含水层地下水化学成分水平分带（2）
SO42-：除石膏溶解外，还有黄铁矿等的氧化； 除石膏溶解外，还有黄铁矿等的氧化； 海相沉积岩中，水中的Ca2+与岩石中的 +交换，HCO3-Ca→SO4-Na; 与岩石中的Na 交换， 海相沉积岩中，水中的