水文地球化學微環境對地下水含氟量的影響

2021-05-12 23:05:32 字數 4720 閱讀 9391

1樓:中地數媒

中遷移、聚集規律的重要途徑,所以,一直被人們予以重視。

目前經常採用的研究手段主要是實驗,一種是土柱淋濾實驗,另一種是地下水樣品的化學分析。這兩種實驗都是根據水中檢出的化學組分,運用已有的化學理論推斷地下水中曾經發生過的化學反應過程。應該指出,作為傳統的手段,這些方法雖有其簡便、快捷的優點,但在理論上存在缺陷。

其一,測試結果的解釋推斷主要是依據傳統的化學理論,即以孤立系統平衡態(化學平衡)認識為基礎的理論,而地下水樣品則取自開放系統非平衡態的地質環境中;其二,前人構建的化學反應方程式是在已知反應物組分、數量的前提下得出的,反應物和生成物在物質總量上是守恆的,實驗的化學反應體系往往是低維的(參與反應的元素種類較少,物理相態單一),與之不同的是,地下水所處的環境是由巖(土)、水、氣、生構成的,而且水中的組分也十分複雜,這種環境條件在化學上屬於多相多元的化學體系,或者說是高維的;其三,水樣中組分含量不是多相多元化學體系的全部生成物,而只是其中一部分。理由是各相之間存在物質交換,地下水運移途中也會有物質的補充或流失,所以水樣測試結果難以提供化學反應前後的完整資訊,從而導致研究結果的不確定性(多解)和主觀臆斷性。

基於上述認識,本次工作運用了非線性開放系統的協同學思想,對高氟地下水的成因進行理論分析。

如果把水樣採集處的地下水空間視為一個系統,那麼這個系統是一個多相多元開放系統且具有明確非線性特徵的水文地球化學體系。系統內部的組成物質有巖(土)、水、氣、生等。這些物質彼此存在直接或間接的化學聯絡。

除此之外,該系統與其外界環境也有不同間斷的物質能量輸入和輸出。根據系統理論,當外界環境對系統的輸入和系統對外界環境的輸出保持相對穩定,或者說輸入和輸出具有正常漲落的特徵時,系統可通過內部的自組織將各組分之間錯綜複雜的關係協調起來,形成統一(同一)的結構模式,這種結果又稱為協同效應,而此時的系統雖然仍受到輸入輸出波動的干擾,但在協同作用下,會將干擾化解,使系統保持巨集觀的穩定狀態。對於一個具有巨集觀穩定態的系統來說,穩定態意味著其內部的水動力場、水化學場的基本狀態不變,各種化學組分的種類和組分比也不隨時間發生較大的波動。

這種觀點既適用於空間尺度較大的區域地下水系統,也適用於空間尺度很小的水文地球化學微環境。

協同學理論進一步指出,巨集觀穩定態的系統內部必然是多型的。這就是說,其內部存在多種低一層級的組織形式,而低一層級的組織形式也會包含眾多不同的「型別」。從水文地球化學的角度來理解,所謂「型別」是指水文地球化學微環境中,各種化學組分按相對恆定的比例組合在一起,形成的多狀態組合,這種觀點又被稱為多型理論。

據此,許多水文地質現象可以得到圓滿的解釋。例如,在氣候、區域地質背景相對穩定的自然條件下,區域水化學場可以存在多種不同型別的水質區塊,而每個區塊中不同微環境水化學型別各不相同,但它們又都是相對穩定的。如果再進一步,把氟的化學活潑性以及氟離子形式的多樣性考慮在內,可以得到以下認識:

1氟離子可以存在於多種地下水型別之中;2氟離子濃度在不同型別中會有一定差異;3在具有相同氟離子濃度的不同水化學微環境中,簡單氟離子與配合形式的氟離子所佔的比例是不同的;4決定各水化學微環境的氟濃度和離子不同比值的,可以由主導性的化學反應決定,也可以不存在主導性的化學反應,而是多個化學過程耦合的結果,例如多級化學反應。

然而,在多相多元水化學體系中,要想把各種化學反應逐一辨識出來,在客觀上無法達到,對於高氟地下水形成過程的研究也是如此。因此,本次研究工作只能另闢蹊徑。

在前述協同理論的指導下,本次研究採用了兩種分析法,一種是型別分析法,即按水型劃分型別,分析它們與高氟狀態之間的統計關係,用來推斷高氟地下水在何種水型中具有富集的趨勢,從而為在高氟地下水成因與各種地下水微環境之間尋求客觀聯絡提供線索。

這種方法,主要是依據取得的全部水樣歸納出不同的水型。其原則是每個水樣的即有陽離子和陰離子毫克當量數由大到小分別排序,然後,將陽離子的序列放在型別表示式的前方,陰離子序列在後,排序時氟離子暫不參與,直到各種水型的歸納工作完成後,再將屬於該水型的全部水樣作為樣本數,統計其中高氟地下水點(氟濃度>1mg/l)出現的頻率,進而分析高氟地下水與各種水型(型別)之間的親疏關係。上述研究工作分兩步進行,第一步主要對南陽盆地、開封—周口一帶水樣進行研究;第二步利用信陽、焦作的水樣資料驗證第一步所得認識。

研究工作最終得到以下認識:1高氟地下水在高鈉低鈣的型別中出現的頻率較高,說明高氟地下水對這些水型有較好的親和性,可能存在主導性的化學反應;2高鈉低鈣的水中,鈣的毫克當量濃度越小,出現高氟地下水的可能性越大;3非高鈉低鈣的多個型別中,個別型別高氟地下水出現的頻率也較高,其原因可能是這些水樣的氟是多種化學反應耦合的結果。

需要說明的是,本次研究過程沒有采用相關分析和迴歸分析法去尋求各型別與氟濃度的相關關係,其原因是,在水文地球化學領域相關分析和迴歸分析法只適用於反應物和生成物具有明顯的因果關係,且這種因果關係必須是線性的或已達到化學平衡這一終態的反應體系中,對於可能具有非線性、遠離平衡態特徵的地下水微環境而言,反應的不完全和非線性,使相關分析、迴歸分析在研究地下水中各組分或組分比與氟含量之間的關聯關係時,效果很差,不同學者研究的結果也往往偏差較大,甚至相悖。

為在第一種方法研究的基礎上更深入地揭示高氟地下水形成的化學機理,本次研究提出另一種分析方法,即水化學相圖分析法。這種方法的實質是把每一個水樣視為一個型別。型別是由鈣的毫克當量濃度、鈉的毫克當量濃度、礦化度、ph值等為要素,當所有的水樣點依上述方法投在一張圖上時,每個點就代表一個型別,就形成水化學相圖。

本次繪製的水化學相圖包含了兩部分資料,一是南陽盆地和周口一帶的水化學資料;二是信陽、焦作的資料。前者作為研究的基礎,後者是對前者所獲新認識的檢驗。利用該種方法,本次研究發現了一些全新的規律,詳見具體章節。

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