第十一章-水文地球化学研究方法

LOGOHydrogeochemistry水文地球化学东华理工大学水文地球化学课程组第十一章水文地球化学研究方法CompanyLogo按研究场所分为：野外和室内两种研究方法按其应用技术分为：地质学方法、同位素方法、热力学方法、古水文地质学方法、压出液分析方法、包裹体分析方法和模拟实验方法等。水文地球化学研究方法分类水文地球化学工作程序CompanyLogo地质学方法一、野外调查方法1、调查内容：（1）收集资料、调查访问、了解地质、水文地质条件，（2）地下水点、地表水调查和取样，（3）水的pH值、Eh值、水温、水中溶解和逸出气体、微生物等易变组分现场测定，（4）围岩蚀变、矿脉及其相关水文地球化学现象的观察，（5）水样采集包括：微量元素及水溶性有机物质水样，供压出液、浸出液和矿物包裹体分析样品。CompanyLogo地质学方法一、野外调查方法2、样品采集要求（1）确定采样数量、样品的编录、包装、保管和运送（2）对水样中易变组分的处理（加稳定剂）例如，添加氯仿、硫酸铜和氯化汞等试剂可抑制水样受微生物分解和氧化，添加盐酸可防止重金属元素沉淀和附着于器壁等。CompanyLogo地质学方法一、野外调查方法2、样品采集要求（3）水中气体成分应尽量做到在现场分析例如，游离CO2在现场分析的结果比取样后带回实验分析的结果高得多。江西省崇仁县马鞍坪碳酸温泉现场测定游离CO2为715mg/L，两天后实验室测定为489.4mg/L，四天后为310.6mg/L。（4）水中易变组分尽可能在现场分析例如，Fe3＋、Fe2＋、Mn4＋、Mn2＋、SiO2、pH值和Eh值等。CompanyLogo地质学方法二、室内资料综合分析整理与水文地质图件的编制野外调查采样和室内外试验结束后，应及时对资料进行综合分析整理。通常包括：各类图件的编制、数据的处理、水化学分析成果整理、报告书的编写。二、室内资料综合分析整理与水文地质图件的编制1、各类图件的编制（1）水文地球化学平面图重点表现地下水化学成分及其特征：如水化学类型、矿化度，某种特征离子或组分在水平方向上的分布与变化规律，如水化学类型分区图、矿化度等值线图和水质评价分区图等。（2）水文地球化学剖面图表示地下水化学成分及其特征在垂直方向上的分布与变化规律。一般应与同种类的平面图相对应，一张平面图上应附有1～2条典型剖面图。11.1地质学方法二、室内资料综合分析整理与水文地质图件的编制1、各类图件的编制（3）各类数据关系曲线图表征地下水化学成分与某些因素存在着相关规律的图件。如矿化度与特征离子含量关系、不同离子之间含量关系、离子含量与深度关系、离子含量比与矿化度关系、离子含量与pH值关系、某金属含量与pH关系、在某个方向上各种元素含量历时变化关系等。11.1地质学方法二、室内资料综合分析整理与水文地质图件的编制2、数据处理数据处理就是对所取得的大量数据进行分析、整理，以便取得规律性的认识。对于水文地球化学数据，通常采用概率论与数理统计的方法进行处理。11.1地质学方法二、室内资料综合分析整理与水文地质图件的编制3．水化学分析成果整理（1）用库尔洛夫式表示水化学分析成果（2）用图解法来表示水的化学成分例如，小柱状图、圆形指示灯、化学玫瑰花和三线图等。（3）地下水水文地球化学分类方法表示水化学成果4．报告编写根据研究的目的、任务和所解决的问题编写报告。11.1地质学方法同位素方法能够解决的问题：（1）地下水的起源、形成问题（2）判定地下水的补给特征（3）确定地下水流速、流向等11.2同位素方法一、确定含水层补给区或补给区高度含水层补给区或补给区高度利用氢、氧稳定同位素（D、18O）来确定。（1）研究泉或温泉区的地质构造，确定温泉的可能补给来源（2）划分地下水可能的补给区、迳流区和排泄区（3）按一定高程分别在补给区、迳流区和排泄区布点采样（4）计算同位素高度梯度或进行同位素成分对比并确定泉水的补给区11.2同位素方法一、确定含水层补给区或补给区高度取样要求：（1）采样点最好选用下降泉，因为这种泉的补给范围小，其补给来源易于确定。（2）防止同位素分馏：取样最好在水下进行，并在水下将瓶的内塞盖好，然后密封保存；水样瓶中尽量不留空隙，以免蒸发。11.2同位素方法二、研究水中硫酸根离子的成因利用硫同位素研究火山地区热来研究水中硫酸根离子的成因。如果硫同位素成分接近火山成因硫化物中硫同位素成分，则表明热水中的硫来自地幔，为初生成因。否则，为其它成因。11.2同位素方法三、利用13C解决水文地质的某些问题1.利用13C计算14C原始放射性比度，修正14C年龄2.推算地下热水的基础温度3.判断地下水中HCO3-，CO2的来源和碳酸盐岩石的沉积环境根据样品的δ13C值，大致判断其成因。正常条件下，大气CO2的δ13C值为-7‰；土壤CO2和现代生物的δ13C值为-25‰左右；海相石灰岩的δ13C值近于O‰，淡水相石灰岩的δ13C值为负且变化范围较大等。11.2同位素方法四、放射性同位素方法1．氚在水文地质中的应用（1）计算地下水的年龄（2）确定地下水与地表水之间的联系（3）解决工程地质中的渗漏问题11.2同位素方法四、放射性同位素方法2．14C年龄测定原理及其应用（1）14C年龄测定原理当大气及水中的二氧化碳不发生交换时，有机体和碳酸盐所含14C将得不到新的补充，其原始的放射性14C按照衰变规律而减少，根据14C含量可以测定地下水的年龄。（2）14C测定年龄的应用对于地下水中的碳酸盐或重碳酸盐来说，计算地下水的年龄，主要是对承压含水层中的水而言。11.2同位素方法热力学是一门从热现象规律出发来研究物理和化学过程中所发生的能量变化的科学，在水文地球化学中，主要研究以下问题：（1）水文地球化学体系内化学反应中的能量转换（2）化学反应的方向与进行程度11.3热力学方法古水文地质方法是通过研究过去漫长地质时期中地下水活动过程所留下来的痕迹再现古水文地质条件的方法。包括：构造古水文地质方法古地下水动力条件方法古水文地球化学方法古地下热水温度的确定11.4古水文地质方法一、构造古水文地质分析构造古水文地质期：区域地质发展史中水文地质构造的结构各不相同、地下水分布及形成条件各不相同的一定时期。古水文地质旋回：指某一地区，从构造下降而发生海浸开始，往后又发生构造隆起和海退，直到新的构造下降和海浸开始前结束的整个过程。11.4古水文地质方法一、构造古水文地质分析古水文地质旋回的两个阶段：（1）沉积水文地质阶段或叫做压榨水文地质阶段，在这期间，形成沉积成因水（沉积水），进行压榨水交替；（2）淋滤水文地质阶段，该阶段含水层出露地表，接受古大气降水的补给，经过淋滤形成地下水，它又逐渐置换排挤沉积水，进行渗透水交替。构造古水文地质分析的任务在于恢复地质时期中曾经存在的水文地质构造的基本类型。11.4古水文地质方法二、古地下水动力条件分析古地下水动力条件分析包括：（1）划分古含水层和隔水层（2）再建地下水动力分带（3）指出古地水排泄通道（4）再建地下水运动方向和压力值11.4古水文地质方法三、古水文地球化学分析1.恢复地下水的化学成分和矿化度（1）恢复地下水的化学成分和矿化度可按地层和古地理资料进行。（2）岩石的各种后生变化，对于恢复和再造古地下水的化学成分有重要意义。岩石的后生变化包括岩石的区域成岩和变质改造作用和岩石中的表生改造作用。11.4古水文地质方法三、古水文地球化学分析2.古水文地球化学环境研究对古水文地球化学环境研究以地质、矿物、古地貌、地球化学和古水文地质为基础，从地球化学入手测定围岩中某些变价离子，根据元素的迁移与氧化还原电位的密切关系，综合分析判断古水文地球化学环境。11.4古水文地质方法三、古水文地球化学分析3．再建古水文地球化学条件的基本方法（1）划分出反映一般物质成分和岩石－岩相成分的含水层（组），并确定其属于哪种水动力分带（层）。（2）由上到下地恢复地下水的化学成分和矿化度。（3）恢复古水文地质构造中的气体成分。11.4古水文地质方法四、确定古地下热水的温度恢复地下水温度的主要方法：1．利用各种类型地质构造（水文地质构造）地热规律恢复地下水温度2．利用矿物包裹体测温直接测定古地下水的温度3．矿物学、地球化学、物理－化学、同位素测温等方法11.4古水文地质方法一、压出液分析法用压榨方法得到的孔隙溶液样品的特点是微量微容，难于用常规的化学方法进行分析，只有用仪器分析才能取得定性和定量的数据。二、岩石矿物气－液包裹体分析鉴定法主要采用的矿物气－液包裹体的取样方法是：浸出法提取、微钻直接提取、真空粉碎提取和高温燃烧等方法。三、模拟实验法通过水质模型来模拟各种天然条件和作用，再现类似的水文地球化学环境和条件。11.5其它方法CompanyLogo复习思考题l．略述水文地球化学野外调查方法及水文地球化学研究的一般程序。2．水文地球化学室内资料整理阶段一般要绘制哪些基本图件？3．怎样利用氢、氧稳定同位素确定含水层的补给区或补给高度？4．怎样利用硫同位素研究火山地区热水中硫酸根离子的成因问题？5．13C能解决水文地质中的哪些问题？6．利用氚（3H）能解决水文地质中的哪些问题？7．利用热力学方法能解决水文地球化学中的哪些基本问题？并论述其基本原理。8．略述古水文地球化学分析的主要内容。CompanyLogo其它方法