应用水文地球化学学科的研究现状

  1870 年,AA BePnro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,oB III IKHHa在其5海洋软泥水地球化学6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5大洋锰和锰结核的地球化学6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、Mn 4 种多金属资源在50~ 60 a 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  108 t , 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-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-岩反应0一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5地热系统化学6一书。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Bow ers 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500 MPa, 温度达600 e ) , 并出版了5矿物-水溶液平衡活度相图6 一书。20 世纪80 年代, R O Fournier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 Giggenbach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( Geoindicators) 。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( Gig genbach, 1993; Hedenquist , 1990;Reyes A G 等, 1993) 。目前广泛使用的标志有O C-lSO4-HCO3 三角图、C-l L-i B 三角图、Na-K-Mg 三角图和N2-Ar-He 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 Tay lor 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-闪蒸-混合作用、水-岩相互作用及岩浆水的输入P。中国西藏羊八井地热田的热水来源问题就是利用氢-氧同位素组成得以解决的。并认为羊八井热水最轻, 可用西藏的瑞利过程引起的同位素分馏效应来解释。此外同位素作为地热温标得到深入的研究。

 

  水文地球化学的研究在地热开发利用领域中的应用是卓有成效的, 在新西兰、菲律宾、印尼等国家的一些大型地热田中水文地球化学的应用在以下3个方面发挥了重要的作用: 探查阶段: 利用泉水化学和喷气孔化学并配合地质和地球物理确定热源, 找出流体的垂向上升带和侧向径流带;  发展阶段: 通过比较泉水和井水化学, 利用混合图解估算地热田的潜能、水文情况及评价热贮层化学和基准温度;  开发利用阶段: 通过井水常规采样, 对热贮层进行监测, 并分析地热水的腐蚀和结垢状况。

 

  1. 4 环境水文地球化学研究

 

  1. 4. 1 地下水质与地方病

 

  环境因素与人类健康的关系自古就为国内外的学者所重视。1916 年, 布雷克#麦凯首次发现斑釉齿与饮水有关。随后, 天然水的化学成分与人类健康的关系逐渐引起了人们的重视, 各国学者如日本、瑞典、美国、英国、荷兰、芬兰、加拿大相继探索了天然水质与大骨节病、脑溢血、心血管病、胃癌、皮肤癌等的关系。中国幅员辽阔, 自然环境复杂多变, 地方病种类多、分布广、危害大。据粗略统计( 林年丰, 1991) , 在全国2 201 个县中( 1986 年12 月31 行政区划) 约有834 个县不同程度地分布着各种地方病, 占全国总县数的37. 89% 。各类地方病的患病人数不低于0. 6 亿, 受威胁人口达3 亿。在全世界人口中各类地方病患者约3 亿, 受威胁人数达15 亿。可见环境地球化学地方病对人类造成的危害之大。中国自20 世纪70 年代初开始先后对克山病、地氟病等开展了水文地球化学研究工作, 目前水文地球化学在生命科学研究中的意义已在世界范围内引起重视。林年丰领导下的长春地质学院地方病科研组自1968 年以来进行了20 多年的综合考察, 对中国东北、西北、西南、华东、华南等十几个省区进行了克山病、大骨节病、癌症、地方性甲状腺肿、地方性氟中毒、地方性砷中毒、伽师病以及其它的生物地球化学地方病进行了专题研究, 建立起了医学环境地球化学的理论体系。1990 年, 在杨忠耀主编的5环境水文地质学6 一书中论述原生环境水文地质条件与地方病, 详细讨论了各种地方病病区的水文地球化学特征。1989 年, 中共中央地方病防治领导小组办公室与中国科学院环境科学委员会主办出版了5中华人民共和国地方病与环境图集6, 综合、系统地分析了中国已经积累的宝贵资料, 全面展示了中国地方病的地理分布规律、流行特点及其与生态环境, 特别是化学生态环境的关系。最近出版的5中国生态环境地球化学图集6,展示了环境地球化学背景及影响生态地球化学系统的主要因素和相关因素, 揭示了浅层地下水微量元素迁移集散规律及其健康效应。

 

  1. 4. 2 与污染有关的水文地球化学研究

 

  随着环境水文地质学研究的深入, 对地下水污染的结果有了较全面的认识, 即危害人体健康, 影响水资源在工农业生产中的有效利用, 破坏生态平衡, 损害环境优美等各个方面。因此, 对于大型建设项目在施工建设期内可能在地下水的补、径、排关系破坏方面造成较大影响及在随后造成的污染问题时, 应进行环境水文地球化学研究。

 

  1975 年, J J Fried 所著的5地下水污染6专著中探讨了非活性污染物预测。1987 年, 前苏联学者丘丘诺娃所著5工程技术成因的水文地球化学6论述了大陆水圈技术成因带地球化学输出和物质交换, 以及工农业生产区域地下水由于技术活动引起变质作用的特点等。1990 年, 杨忠耀主编的5环境水文地质学6一书中有相应的章节阐述次生环境水文地质条件与地下水污染。

 

  1. 5 地下水微生态的研究

 

  把地下水视为一个有生命的系统加以研究, 即地下水微生态研究, 是近年来水文地球化学领域兴起的新的生长点, 是当今世界水文地球化学学术上的热门话题, 在水文地球化学研究史上是个新进展。目前主要的议题涉及到地下水微生物总数的研究;微生物作为控制地下水化学反应的角色以及研究地下水微生物的方法( Barbara, 2000) 。

 

  任福弘、孙继朝等在这一领域进行了一些探索。他们为研究氮素的生物化学循环问题, 通过河北正定试验场贯穿包气带的18. 5 m 的钻孔剖面土样的水理性质、地球化学指标、有机质含量的测试和微生 物的培养鉴定, 发现土体的氮素、TDS 、Cl- 含量以及微生物细菌的变化随深度变化不是呈简单的线性分布, 而是在剖面上的丰度波动及其递增或衰减幅度, 受生物地球化学及其组构形式的制约。这一研  究成果, 为氮素污染地下水的阻控以及污染土体的原位生态修复开辟了新的思路。