水文地球化学研究现状与进展

本文由国土资源部地质调查项目“全国水资源评价”和“鄂尔多斯自留盆地地下水赋存运移规律的研究”项目资助。

改回日期:2001212217;责任编辑:宫月萱。

第一作者:叶思源,女,1963年生,在读博士生,副研究员,从事矿水、地热水及水文地球化学研究。

水文地球化学研究现状与进展叶思源1)　孙继朝2)　姜春永3)(1)中国矿业大学,北京,100083;2)中国地质科学院水文地质环境地质研究所,河北正定,050803;3)山东地质工程勘查院,山东济南,250014)摘　要　1938年,“水文地球化学”术语提出,至今水文地球化学作为一门独立的学科得到长足的发展,其服务领域不断扩大。

当今水文地球化学研究的理论已经广泛地应用在油田水、海洋水、地热水、地下水质与地方病以及地下水微生物等诸多领域的研究。

其研究方法也日臻完善。

随着化学热力学和化学动力学方法及同位素方法的深入研究,以及人类开发资源和保护生态的需要,水文地球化学必将在多学科的交叉和渗透中拓展研究领域,并在基础理论及定量化研究方面取得新的进展。

关键词　水文地球化学　研究现状　进展Current Situ ation and Advances in H ydrogeochemical R esearchesYE Siyuan 1)　SUN Jichao 2)　J IAN G Chunyong 3)(1)Chi na U niversity of Mi ni ng and Technology ,Beiji ng ,100083;2)Instit ute of Hydrogeology and Envi ronmental Geology ,CA GS ,Zhengdi ng ,Hebei ,050803;3)S handong Instit ute of Geological Engi neeri ng S urvey ,Ji nan ,S handong ,240014)Abstract Hydrogeochemistry ,as an independent discipline ,has made substantial development since the term “hydrogeochemistry ”was created in 1938.At present hydrogeochemical theories have been applied to various fields such as oil field water ,ocean water ,geothermal water ,groundwater quality ,endemic diseases and groundwater microorganism ,and related research methods have also become mature.With the further development of chemical thermodynamics ,kinetics method and isotope method ,hydrogeochemistry will surely extend its research fields in the course of multi 2discipline interaction and make new progress in basic theory and quantifica 2tion research ,so as to meet the demand of human exploration and exploitation as well as ecological protection.K ey w ords hydrogeochemistry current state of research advance 早期的水文地球化学工作主要围绕查明区域水文地质条件而展开,在地下水的勘探开发利用方面取得了可喜的成果(沈照理,1985)。

水文地球化学在利用地下水化学成分资料,特别是在查明地下水的补给、迳流与排泄条件及阐明地下水成因与资源的性质上卓有成效。

20世纪60年代后,水文地球化学向更深更广的领域延伸,更多地是注重地下水在地壳层中所起的地球化学作用(任福弘,1993)。

1981年,Stumm W 等出版了《水化学———天然水化学平衡导论》专著,较系统地提供了定量处理天然水环境中各种化学过程的方法。

1992年,C P 克拉依诺夫等著《水文地球化学》分为理论水文地球化学及应用水文地球化学两部分,全面论述了地下水地球化学成分的形成、迁移及化学热力学引入水文地球化学研究的理论问题,以及水文地球化学在饮用水、矿水、地下热水、工业原料水、找矿、地震预报、防止地下水污染、水文地球化学预测及模拟中的应用等,概括了20世纪80年代末期水文地球化学的研究水平。

特别是近二十年来计算机科学的飞速发展使得水文地球化学研究中的一些非线性问题得到解答(谭凯旋,1998),逐渐构架起更为严密的科学体系。

第23卷　第5期2002210/4772482 地　球　学　报ACTA GEOSCIEN TIA SIN ICAVol.23 No.5Oct.2002/47724821　应用水文地球化学学科的研究现状1.1　油田水研究水文地球化学的研究在对油气资源的勘查和预测以及提高勘探成效和采收率等方面作出了重要的贡献。

早期油田水地球化学的研究只是对单个盆地或单个坳陷,甚至单个凹陷进行研究,并且对于找油标志存在不同见解。

此时油田水化学成分分类主要沿用B A苏林于1946年形成的分类。

1965年,E C 加费里连科在其所著《根据地下水化学组分和同位素成分确定含油气性的水文地球化学指标》中系统论述了油气田水文地球化学特征及寻找油气田的水文地球化学方法。

1975年,A G Collins在其《油田水地球化学》中论述了油田水中有机及无机组分形成的地球化学作用(汪蕴璞,1987)。

1994年,汪蕴璞等对中国典型盆地油田水进行了系统和完整的研究,总结了中国油田水化学成分的形成分布和成藏规律性,特别是总结了陆相油田水地球化学理论,对油田水中宏量组分、微量组分、同位素等开展了研究,并对油田水成分进行种类计算,从水化学的整体上研究其聚散、共生规律和综合评价找油标志和形成机理。

同时还开展了模拟实验、化学动力学和热力学计算,从定量上探索油田水化学组分的地球化学行为和形成机理。

1.2　洋底矿藏研究1870年,ААВериго在黑海河口湾开始了海洋水的研究。

直至20世纪50年代中期,苏联和美国都较系统地开展了该次研究。

1972年,ОВЩишкина在其《海洋软泥水地球化学》中讨论了世界三大洋和内陆海软泥水化学成分资料,对不同类型沉积物中的软泥水化学成分特征进行了描述和分类,总结了软泥水化学成分浓度随深度变化的规律性,并进行了解释。

1988年,G N Baturin撰著的《大洋锰和锰结核的地球化学》英文版专著中有一个章节,专论海洋沉积物孔隙水中的Mn。

研究发现海洋沉积物孔隙水中Mn含量的变化幅度很大,可在7个数量级的范围中变动;每种沉积物类型软泥水的Mn浓度变动范围亦相当大。

依Mn浓度将沉积物分为内陆盆地、边缘海洋带和大洋深海带3种类型(汪蕴璞,1991)。

近20年来,由于陆地资源储量日益消耗加剧,特别是陆地上的Cu、Ni、Co、Mn4种多金属资源在50～60a后即将殆尽;另一方面世界大洋底部蕴藏着金属结核约有3×108t,因此人类转向大洋矿产资源开发。

汪蕴璞等在1986～1988年期间,在太平洋中部海域开展的多金属结核调查,以及通过开展室内水2岩作用模拟系列试验和各类样品成分的多项分析测试,在应用电子计算机技术和数理统计法等取得的极其珍贵的、比较系统的第一手资料的基础上,经过综合分析研究,首次披露了洋底界面水的物理化学场的景观,以及洋底存在金属垒、氧化垒和碱性垒的现代环境。

剖析了大洋水物质模型和界面水物理化学场的形成机理及其与多金属结核形成之间的规律性联系。

发现多金属结核的成矿溶液是一种稀的金属溶液和参与成矿的金属存在形式。

概括了成矿作用反应场中成矿金属的形成和转移模式。

提出了水成多金属结核的成矿阶段、作用和机理。

阎葆瑞等采用新的微生物成矿的理论和观点着重论述了大洋水及沉积物系统的地质、地球化学环境,洋底水、沉积物、孔隙水及多金属结核等介质中微生物的分布及其地球化学作用对成矿元素富集、沉析的影响,现代和古代微生物的成矿作用及成矿机制等问题(阎葆瑞,1994)。

在微生物成矿机制及古微生物的成矿作用,以及多金属结核纹层等微构造的微生物成因等方面提出了新的见解与发现。

1.3　地热水研究目前对地热水中的地球化学研究,已有了较全面的了解。

其地下热水(蒸汽)绝大部分起源于大气(沈照理,1985)。

早在1964年A J Ellis等在“天然水系统与实验室热水2岩反应”一文中提到热水中的大部分溶解组分来自于水与围岩之间的反应。

可以概括为:地热田是一个高温条件下的水文地球化学系统,构成该系统的基本物质成分是地热流体和固相介质(围岩)。

1977年,Ellis等发表了《地热系统化学》一书。

书中就热水的起源、热水的物理化学同位素特征、水热蚀变、热水中矿物沉淀等作了详细的阐述。

同时还讨论了新西兰有关野外采样和实验室分析方法。

1977～1983年,美国学者Bowers T S经过6年的实验室工作,获得第一手有关矿物、气体和溶解态组分在一系列温度、压力下的热力学参数和化学反应方程,建立了600多种相图(包括压力达500MPa,温度达600℃),并出版了《矿物2水溶液平衡活度相图》一书。

20世纪80年代,R O Fournier874地　球　学　报2002年等对地热温标作了进一步探讨,建立了一系列地热温标公式,被广泛应用于地热开发利用中确定热水系统的热贮层温度。

1988～1992年,W F G iggen2 bach创立了一系列三角图作为研究地热流体起源和形成机理的标志(G eoindicators)。

这些三角图作为一种简明而强有力的技术对热泉及热水井水作出快速的评价(G iggenbach,1993;Hedenquist,1990; Reyes A G等,1993)。

目前广泛使用的标志有ΟCl2 SO42HCO3三角图、Cl2Li2B三角图、Na2K2Mg三角图和N22Ar2He三角图。

1957年,H Craig在意大利地热田应用了同位素技术,随后H P Taylor等相继研究了世界上一些大型的地热田水的同位素,认为在氢氧同位素的组成中地热水18O的正漂移原因是地热流体在上升过程中沸腾2闪蒸2混合作用、水2岩相互作用及岩浆水的输入Π。