應用水文地球化學(xué)學(xué)科的研究現狀

  1870 年,AA BePnro在黑海河口灣開(kāi)始了海洋水的研究。直至20 世紀50 年代中期, 蘇聯(lián)和美國都較系統地開(kāi)展了該次研究。1972 年,oB III IKHHa在其5海洋軟泥水地球化學(xué)6中討論了世界三大洋和內陸海軟泥水化學(xué)成分資料, 對不同類(lèi)型沉積物中的軟泥水化學(xué)成分特征進(jìn)行了描述和分類(lèi), 總結了軟泥水化學(xué)成分濃度隨深度變化的規律性, 并進(jìn)行了解釋。1988 年, G N Baturin 撰著(zhù)的5大洋錳和錳結核的地球化學(xué)6英文版專(zhuān)著(zhù)中有一個(gè)章節, 專(zhuān)論海洋沉積物孔隙水中的Mn。研究發(fā)現海洋沉積物孔隙水中Mn 含量的變化幅度很大, 可在7 個(gè)數量級的范圍中變動(dòng); 每種沉積物類(lèi)型軟泥水的Mn 濃度變動(dòng)范圍亦相當大。依Mn 濃度將沉積物分為內陸盆地、邊緣海洋帶和大洋深海帶3 種類(lèi)型( 汪蘊璞, 1991) 。

 

  近20 年來(lái), 由于陸地資源儲量日益消耗加劇特別是陸地上的Cu、Ni、Co、Mn 4 種多金屬資源在50~ 60 a 后即將殆盡; 另一方面世界大洋底部蘊藏著(zhù)金屬結核約有3  108 t , 因此人類(lèi)轉向大洋礦產(chǎn)資源開(kāi)發(fā)。汪蘊璞等在1986~ 1988 年期間, 在太平洋中部海域開(kāi)展的多金屬結核調查, 以及通過(guò)開(kāi)展室內水-巖作用模擬系列試驗和各類(lèi)樣品成分的多項分析測試, 在應用電子計算機技術(shù)和數理統計法等取得的極其珍貴的、比較系統的第一手資料的基礎上,經(jīng)過(guò)綜合分析研究, 首次披露了洋底界面水的物理化學(xué)場(chǎng)的景觀(guān), 以及洋底存在金屬壘、氧化壘和堿性壘的現代環(huán)境。剖析了大洋水物質(zhì)模型和界面水物理化學(xué)場(chǎng)的形成機理及其與多金屬結核形成之間的規律性聯(lián)系。發(fā)現多金屬結核的成礦溶液是一種稀的金屬溶液和參與成礦的金屬存在形式。概括了成礦作用反應場(chǎng)中成礦金屬的形成和轉移模式。 提出了水成多金屬結核的成礦階段、作用和機理。

 

  閻葆瑞等采用新的微生物成礦的理論和觀(guān)點(diǎn)著(zhù)重論述了大洋水及沉積物系統的地質(zhì)、地球化學(xué)環(huán)境, 洋底水、沉積物、孔隙水及多金屬結核等介質(zhì)中微生物的分布及其地球化學(xué)作用對成礦元素富集、沉析的影響, 現代和古代微生物的成礦作用及成礦機制等問(wèn)題( 閻葆瑞, 1994) 。在微生物成礦機制及古微生物的成礦作用, 以及多金屬結核紋層等微構造的微生物成因等方面提出了新的見(jiàn)解與發(fā)現。

 

  1. 3 地熱水研究

 

  目前對地熱水中的地球化學(xué)研究, 已有了較全面的了解。其地下熱水( 蒸汽) 絕大部分起源于大氣( 沈照理, 1985) 。早在1964 年A J Ellis 等在/ 天然水系統與實(shí)驗室熱水-巖反應0一文中提到熱水中的大部分溶解組分來(lái)自于水與圍巖之間的反應?？梢愿爬? 地熱田是一個(gè)高溫條件下的水文地球化學(xué)系統, 構成該系統的基本物質(zhì)成分是地熱流體和固相介質(zhì)( 圍巖) 。1977 年, Ellis 等發(fā)表了5地熱系統化學(xué)6一書(shū)。書(shū)中就熱水的起源、熱水的物理化學(xué)同位素特征、水熱蝕變、熱水中礦物沉淀等作了詳細的闡述。同時(shí)還討論了新西蘭有關(guān)野外采樣和實(shí)驗室分析方法。1977~ 1983 年, 美國學(xué)者Bow ers T S 經(jīng)過(guò)6 年的實(shí)驗室工作, 獲得第一手有關(guān)礦物、氣體和溶解態(tài)組分在一系列溫度、壓力下的熱力學(xué)參數和化學(xué)反應方程, 建立了600 多種相圖( 包括壓力達500 MPa, 溫度達600 e ) , 并出版了5礦物-水溶液平衡活度相圖6 一書(shū)。20 世紀80 年代, R O Fournier等對地熱溫標作了進(jìn)一步探討, 建立了一系列地熱溫標公式, 被廣泛應用于地熱開(kāi)發(fā)利用中確定熱水系統的熱貯層溫度。1988 ~ 1992 年, W F Giggenbach創(chuàng )立了一系列三角圖作為研究地熱流體起源和形成機理的標志( Geoindicators) 。這些三角圖作為一種簡(jiǎn)明而強有力的技術(shù)對熱泉及熱水井水作出快速的評價(jià)( Gig genbach, 1993; Hedenquist , 1990;Reyes A G 等, 1993) 。目前廣泛使用的標志有O C-lSO4-HCO3 三角圖、C-l L-i B 三角圖、Na-K-Mg 三角圖和N2-Ar-He 三角圖。

 

  1957 年, H Craig 在意大利地熱田應用了同位素技術(shù), 隨后H P Tay lor 等相繼研究了世界上一些大型的地熱田水的同位素, 認為在氫氧同位素的組成中地熱水18O 的正漂移原因是地熱流體在上升過(guò)程中沸騰-閃蒸-混合作用、水-巖相互作用及巖漿水的輸入P。中國西藏羊八井地熱田的熱水來(lái)源問(wèn)題就是利用氫-氧同位素組成得以解決的。并認為羊八井熱水最輕, 可用西藏的瑞利過(guò)程引起的同位素分餾效應來(lái)解釋。此外同位素作為地熱溫標得到深入的研究。

 

  水文地球化學(xué)的研究在地熱開(kāi)發(fā)利用領(lǐng)域中的應用是卓有成效的, 在新西蘭、菲律賓、印尼等國家的一些大型地熱田中水文地球化學(xué)的應用在以下3個(gè)方面發(fā)揮了重要的作用: 探查階段: 利用泉水化學(xué)和噴氣孔化學(xué)并配合地質(zhì)和地球物理確定熱源, 找出流體的垂向上升帶和側向徑流帶;  發(fā)展階段: 通過(guò)比較泉水和井水化學(xué), 利用混合圖解估算地熱田的潛能、水文情況及評價(jià)熱貯層化學(xué)和基準溫度;  開(kāi)發(fā)利用階段: 通過(guò)井水常規采樣, 對熱貯層進(jìn)行監測, 并分析地熱水的腐蝕和結垢狀況。

 

  1. 4 環(huán)境水文地球化學(xué)研究

 

  1. 4. 1 地下水質(zhì)與地方病

 

  環(huán)境因素與人類(lèi)健康的關(guān)系自古就為國內外的學(xué)者所重視。1916 年, 布雷克#麥凱首次發(fā)現斑釉齒與飲水有關(guān)。隨后, 天然水的化學(xué)成分與人類(lèi)健康的關(guān)系逐漸引起了人們的重視, 各國學(xué)者如日本、瑞典、美國、英國、荷蘭、芬蘭、加拿大相繼探索了天然水質(zhì)與大骨節病、腦溢血、心血管病、胃癌、皮膚癌等的關(guān)系。中國幅員遼闊, 自然環(huán)境復雜多變, 地方病種類(lèi)多、分布廣、危害大。據粗略統計( 林年豐, 1991) , 在全國2 201 個(gè)縣中( 1986 年12 月31 行政區劃) 約有834 個(gè)縣不同程度地分布著(zhù)各種地方病, 占全國總縣數的37. 89% 。各類(lèi)地方病的患病人數不低于0. 6 億, 受威脅人口達3 億。在全世界人口中各類(lèi)地方病患者約3 億, 受威脅人數達15 億?？梢?jiàn)環(huán)境地球化學(xué)地方病對人類(lèi)造成的危害之大。中國自20 世紀70 年代初開(kāi)始先后對克山病、地氟病等開(kāi)展了水文地球化學(xué)研究工作, 目前水文地球化學(xué)在生命科學(xué)研究中的意義已在世界范圍內引起重視。林年豐領(lǐng)導下的長(cháng)春地質(zhì)學(xué)院地方病科研組自1968 年以來(lái)進(jìn)行了20 多年的綜合考察, 對中國東北、西北、西南、華東、華南等十幾個(gè)省區進(jìn)行了克山病、大骨節病、癌癥、地方性甲狀腺腫、地方性氟中毒、地方性砷中毒、伽師病以及其它的生物地球化學(xué)地方病進(jìn)行了專(zhuān)題研究, 建立起了醫學(xué)環(huán)境地球化學(xué)的理論體系。1990 年, 在楊忠耀主編的5環(huán)境水文地質(zhì)學(xué)6 一書(shū)中論述原生環(huán)境水文地質(zhì)條件與地方病, 詳細討論了各種地方病病區的水文地球化學(xué)特征。1989 年, 中共中央地方病防治領(lǐng)導小組辦公室與中國科學(xué)院環(huán)境科學(xué)委員會(huì )主辦出版了5中華人民共和國地方病與環(huán)境圖集6, 綜合、系統地分析了中國已經(jīng)積累的寶貴資料, 全面展示了中國地方病的地理分布規律、流行特點(diǎn)及其與生態(tài)環(huán)境, 特別是化學(xué)生態(tài)環(huán)境的關(guān)系。最近出版的5中國生態(tài)環(huán)境地球化學(xué)圖集6,展示了環(huán)境地球化學(xué)背景及影響生態(tài)地球化學(xué)系統的主要因素和相關(guān)因素, 揭示了淺層地下水微量元素遷移集散規律及其健康效應。

 

  1. 4. 2 與污染有關(guān)的水文地球化學(xué)研究

 

  隨著(zhù)環(huán)境水文地質(zhì)學(xué)研究的深入, 對地下水污染的結果有了較全面的認識, 即危害人體健康, 影響水資源在工農業(yè)生產(chǎn)中的有效利用, 破壞生態(tài)平衡, 損害環(huán)境優(yōu)美等各個(gè)方面。因此, 對于大型建設項目在施工建設期內可能在地下水的補、徑、排關(guān)系破壞方面造成較大影響及在隨后造成的污染問(wèn)題時(shí), 應進(jìn)行環(huán)境水文地球化學(xué)研究。

 

  1975 年, J J Fried 所著(zhù)的5地下水污染6專(zhuān)著(zhù)中探討了非活性污染物預測。1987 年, 前蘇聯(lián)學(xué)者丘丘諾娃所著(zhù)5工程技術(shù)成因的水文地球化學(xué)6論述了大陸水圈技術(shù)成因帶地球化學(xué)輸出和物質(zhì)交換, 以及工農業(yè)生產(chǎn)區域地下水由于技術(shù)活動(dòng)引起變質(zhì)作用的特點(diǎn)等。1990 年, 楊忠耀主編的5環(huán)境水文地質(zhì)學(xué)6一書(shū)中有相應的章節闡述次生環(huán)境水文地質(zhì)條件與地下水污染。

 

  1. 5 地下水微生態(tài)的研究

 

  把地下水視為一個(gè)有生命的系統加以研究, 即地下水微生態(tài)研究, 是近年來(lái)水文地球化學(xué)領(lǐng)域興起的新的生長(cháng)點(diǎn), 是當今世界水文地球化學(xué)學(xué)術(shù)上的熱門(mén)話(huà)題, 在水文地球化學(xué)研究史上是個(gè)新進(jìn)展。目前主要的議題涉及到地下水微生物總數的研究;微生物作為控制地下水化學(xué)反應的角色以及研究地下水微生物的方法( Barbara, 2000) 。

 

  任福弘、孫繼朝等在這一領(lǐng)域進(jìn)行了一些探索。他們?yōu)檠芯康氐纳锘瘜W(xué)循環(huán)問(wèn)題, 通過(guò)河北正定試驗場(chǎng)貫穿包氣帶的18. 5 m 的鉆孔剖面土樣的水理性質(zhì)、地球化學(xué)指標、有機質(zhì)含量的測試和微生 物的培養鑒定, 發(fā)現土體的氮素、TDS 、Cl- 含量以及微生物細菌的變化隨深度變化不是呈簡(jiǎn)單的線(xiàn)性分布, 而是在剖面上的豐度波動(dòng)及其遞增或衰減幅度, 受生物地球化學(xué)及其組構形式的制約。這一研  究成果, 為氮素污染地下水的阻控以及污染土體的原位生態(tài)修復開(kāi)辟了新的思路。