第五章元素在地下水中的迁移与沉淀ppt课件.ppt
Hydrogeochemistry 水文地球学,东华理工大学水文地球化学课程组,第五章 元素在地下水中的迁移与沉淀,Company Logo,本章内容,5.1 概述 5.2 元素在地下水中迁移的一般特征 5.3 弥散作用,Company Logo,一、元素迁移 元素由一种存在形式转化为另一种存在形式，并伴随一定的空间位移的运动过程，称之为“元素的迁移”。 “沉淀”相对于“迁移”而言，位移停止，由液相转入固相，即元素沉淀二、元素迁移的分类 根据物质的运动形式，地壳中元素的迁移可分为三类： 化学与物理化学迁移； 生物或生物地球化学迁移； 机械迁移,5.1概述,Company Logo,一、元素在地下水中的迁移形式 主要有：真溶液形式，胶体形式，悬浮形式 1、真溶液的形式 由溶剂和溶质组成均一、稳定的混合物叫做真溶液 溶质的粒径一般小于10-9m。在真溶液中，元素可以呈： 溶解的分子形式：CaSO4、H4SiO4、CO2、N2等； 自由的离子形式：Cl-、Na+、 K+、SO42-、HCO3- 等； 络离子形式 UO2(CO3)3 4-等 许多元素，尤其是成矿元素，在地下水中呈络离子形式在溶液中迁移。,5.2 元素在地下水中迁移的一般特征,Company Logo,一、元素在地下水中的迁移形式 2、胶体形式 胶体的概念 是一种物质的极细微粒（分散质）分散在另一种物质（分散介质）中形成的不均匀的细分散体系，胶体的粒径10-7 10-9m。 胶体的性质 比表面积大 单位体积或单位质量所具有的表比面积，称为比面积它具有极大的表面能，特殊的表面电力及吸附能力等 带有电荷 Fe(OH)3 . Fe3+ 正胶体 Fe(OH)3.(OH) -负胶体,5.2 元素在地下水中迁移的一般特征,Company Logo,一、元素在地下水中的迁移形式 2、胶体形式 胶体的性质 由于胶体带有电荷，从而决定胶体有以下一些特性： a. 同种胶体质点在水溶液中，由于相同电荷的排斥，不易凝聚和沉淀，这有利于元素的迁移； b.当胶体质点的电荷被中和时，胶体质点就会发生凝聚和沉淀，例如正负胶体相遇，遇到电解质的溶液 c选择吸附 胶体质点具有从介质中吸附各种元素离子的性能，尤其重要的是当这些离子在溶液中浓度很低，未达到饱和程度时，也能被胶体质点吸附，而沉淀下来这时许多稀有元素的成矿意义很大,5.2 元素在地下水中迁移的一般特征,Company Logo,一、元素在地下水中的迁移形式 2、胶体形式 水环境中胶体的种类 有无机胶体，有机胶体及有机-无机复合胶体 A、无机胶体：各种次生粘土矿物和各种水合氧化合物 例如:高岭石，蒙脱石，伊利石等粘土矿物；Fe2O3褐铁矿，Fe2O3H2O水化赤铁矿，Al2O33H2O三水铝石， SiO2nH2O蛋白石等水合氧化物.它们都是在原生矿物的风化过程中产生的，分布十分广泛，因而具有特别重要的意义,5.2 元素在地下水中迁移的一般特征,Company Logo,一、元素在地下水中的迁移形式 2、胶体形式 水环境中胶体的种类 有机胶体 主要指各种可溶的和不可溶的腐殖酸 它们不仅与很多金属元素形成稳定的络合物在水中迁移，而且也可以作为良好的吸附剂而吸附某些元素，使之在水中运移。 有机与无机复合体 粘土矿物和水合氧化物之类的无机胶体中往往含有各种腐殖酸而形成各种复合胶体。,5.2 元素在地下水中迁移的一般特征,Company Logo,一、元素在地下水中的迁移形式 2、胶体形式 胶体的吸附作用 、胶体吸附具有选择性 胶体吸附的现象很普通，特别是在表生带，不同胶体常选择性地吸附一定的离子： 褐铁矿吸附U,As,P,V,Mo,Co,Ni,Au等 锰土吸附Li,Cu,Ni,Co,Zn,U,Ba,W等 腐殖酸吸附Mo,U,V,Co,Ni,Cu,Pb,Zn,Au等,5.2 元素在地下水中迁移的一般特征,Company Logo,一、元素在地下水中的迁移形式 2、胶体形式 胶体的吸附作用 、胶体的吸附服从质量作用定律 水中阳离子浓度越大，电价越高，同价离子半径越大，其被吸附的作用越强 由于自然界中的大部分胶体，如粘土矿物，有机胶体，含水氧化铝等都带负电荷，所以胶体在大多数的情况下吸附的是阳离子,5.2 元素在地下水中迁移的一般特征,Company Logo,一、元素在地下水中的迁移形式 2、胶体形式 胶体的吸附作用 胶体吸附分类胶体吸附可分为简单吸附和交替吸附。 简单吸附：介质中离子简单地被胶体吸附 交替吸附：在一定的条件下，胶体中已被吸附的离子和溶液中和离子相互交换 3、悬浮物形式 悬浮物的质点大于10-7m，悬浮物分有机悬浮物和无机悬浮物。悬浮液是一种不稳定的溶液，颗粒物最终要沉淀下来。 泥浆（黃河水）、乳浊液（牛奶）,5.2 元素在地下水中迁移的一般特征,Company Logo,二、标型元素和元素的水迁移环境 各种元素在地下水中的迁移能力主要取决于元素本身的化学性质和环境条件而元素在水中的迁移环境在很大程度上决定于某些标型元素. 1、空气迁移元素和水迁移元素 空气迁移元素：通过气相进行迁移的元素如，惰性气体元素等，它们也能随水溶液迁移，但以形成挥发性经合物在空气中迁移为特征如水中各种硝酸盐和铵盐中的，Ca(HCO3)2中的等. 水迁移元素：通过各种水体进行迁移的元素，大部分元素都属于水迁移元素，例如: Na,Mg,Ca,K,Al,Si,Cl,Mn,Fe,Co,Ni,V等,5.2 元素在地下水中迁移的一般特征,Company Logo,二、标型元素和元素的水迁移环境 2、标型元素及元素的水迁移环境 标型元素：指其迁移能控制地球化学环境，高克拉克值的强迁移元素，也称标型离子或标型化合物 标型元素的标型程度取决于元素的克拉克值和迁移能力。,5.2 元素在地下水中迁移的一般特征,Company Logo,二、标型元素和元素的水迁移环境 2、标型元素及元素的水迁移环境 （1）空气迁移的标型元素 以气态迁移的O2、CO2、H2S、CH4等标型元素对地球化学环境的影响很大，它们主要决定环境的氧化还原条件。 根据空气迁移元素的组成，可将表生带区分为三种基本的氧化还原环境：,5.2 元素在地下水中迁移的一般特征,Company Logo,A 氧化环境 其特征是：水中存在自由氧和其它强氧化剂；许多元素均处于高度氧化状态(Fe3、Mn4、Cu2、V5、S6等)；岩体染成红、棕、黄色；Eh值0.15v-0.7v，在酸性条件下Eh值大于0.4v；标型元素是O2。,5.2 元素在地下水中迁移的一般特征,Company Logo,二、标型元素和元素的水迁移环境 2、标型元素及元素的水迁移环境 （1）空气迁移的标型元素 B、 潜育环境(无硫化氢的还原环境) 其特征是：水中缺氧或其他强氧化剂；许多无素均处于低度氧化状态(Fe2、Mn2等)迁移；局部地区的水含有大量CO2和CH4，没有或只有少量H2S；岩体呈淡绿色、灰色或灰蓝色；Eh值在酸性环境中0.4v，而在碱性环境中低于0.15v；标型元素CO2,有的地方还有CH4,5.2 元素在地下水中迁移的一般特征,Company Logo,二、标型元素和元素的水迁移环境 2、标型元素及元素的水迁移环境 （1）空气迁移的标型元素 C、还原环境(硫化氢还原环境) 其特征是：水中不含自由和其它强氧化剂；但含有大量H2S，局部地方含有CH4及其它碳氢化合物；铁和其它许多金属不移动；Eh7)，局部达到-0.5至-0.7v；标型元素为H2S和部分碳氢化合物。,5.2 元素在地下水中迁移的一般特征,Company Logo,二、标型元素和元素的水迁移环境 2、标型元素及元素的水迁移环境 （2）水迁移的标型元素 属于这类的有Cl、SO42、HCO3、Ca2、Mg2、Na和H等。它们决定着天然水的酸碱条件及其浓集程度。 根据水迁移元素的组成，水迁移环境有以下6种主要类型： A 强酸型(pH4)，标型元素是H，局部为SO42、Fe3、Al3,Zn2,Cu2等，多为硫化矿床氧化带地下水。 B 酸型(4pH6.5)，标型元素是H，有机酸阴离子。,5.2 元素在地下水中迁移的一般特征,Company Logo,二、标型元素和元素的水迁移环境 2、标型元素及元素的水迁移环境 （2）水迁移的标型元素 根据水迁移元素的组成，水迁移环境有以下6种主要类型：C、中性和弱碱性重碳钙型(6.58.5)，标型元素是HCO3 , OH,SiO2和Na。,5.2 元素在地下水中迁移的一般特征,Company Logo,5.2 元素在地下水中迁移的一般特征,三、元素的水迁移强度 1、 水迁移系数(Kx) 表示元素在地下水或地表水单位干涸残渣中的含量与其在该区域岩石中含量的比值，即：式中，mx元素在水中的含量(mg/L) a水的干涸残渣量（mg/L） nx元素在岩石中的含量（%） Kx可用来比较主要元素和次要元素的相对迁移程度。 Kx越大，元素从风化壳（岩石）中被带出的能力越强。例如：某区地下水中Cu比Si含量小得多，但据Kx可知道Cu在水中比Si迁移要强，因为KCu=0.13KSi=0.07.,nx%,mx/a,Company Logo,5.2 元素在地下水中迁移的一般特征,三、元素的水迁移强度 2、迁移相对性系数（ Cx ） 同一元素在不同环境中迁移强度的差异，称迁移相对性。迁移相对性用迁移相对性系数(Cx)衡量： Cx=KA/KB，表示同一元素在不同环境中的水迁移系数之比。Cx越大，说明环境条件对元素迁移影响越大，该元素形成富集的可能性越大，即容易形成矿床。 例如，Zn在氧化环境中KZn=n，而在还原环境中，KZn=0.0n， 则,Kb,Ka,Company Logo,5.2 元素在地下水中迁移的一般特征,三、元素的水迁移强度 3、沉淀强度系数(Ko) 在原岩的不同风化阶段，元素从岩石中进入水中和生成次生矿物的比例是不同的。可用沉淀强度系数来衡量。 沉淀强度系数表示元素在水溶液的单位干涸残渣中的含量与原岩分解后形成的次生产物中该元素的含量之比，即 式中，no该元素在次生矿物中的含量（%） a 水的干涸残渣量（mg/L） mx元素在水中的含量（mg/L） 可见，元素在次生物中含量越多，则Ko越小，即元素的沉淀强度越大，而水迁移性能较差。,nx%,mx/a,n0,Company Logo,5.3 弥散作用,一、物质在地下水中的弥散机理 1、地下水中元素的迁移方式 （1）元素在岩石气体水系统中相间的转移，即元素从固相或气相转移到地下水中，或从地下水中转移到固相或气相。 （2）元素在地下水中的迁移。 例如分子扩散作用，水流对流迁移作用，渗透分散作用，均可使元素在地下水中发生不同程度的位移,Company Logo,5.3 弥散作用,一、物质在地下水中的弥散机理 2弥散迁移机理 （1）弥散与弥散作用 弥散是指多孔介质中两种液体相接触时，某种物质从含量高的液体向含量低的液体迁移，在两种液体分界面处形成一个过渡混合带，混合带不断发展扩大，趋向成为均匀的混合物质，这种现象称为弥散。 形成弥散现象的作用，称为弥散作用。,Company Logo,5.3 弥散作用,一、物质在地下水中的弥散机理 2弥散迁移机理（2） 弥散作用类型 弥散作用包括:分子扩散作用、对流迁移作用渗透分散作用。弥散现象是由几种作用同时综合影响而形成的。,Company Logo,5.3 弥散作用,一、物质在地下水中的弥散机理 2弥散迁移机理 （2） 弥散作用类型 分子扩散(迁移)：两种不同的液体相互接触时，在浓度差，温度差和压力差的作用下，物质发生迁移 ，最终使组分均一化，这种现象叫分子扩散。分子扩散实质上是分子布朗运动的一种现象。 例如在一杯清水中小心而缓慢地滴入一滴红墨水，墨滴会不断地扩大，最后整杯水都被染为淡红色。,Company Logo,5.3 弥散作用,一、物质在地下水中的弥散机理 2弥散迁移机理 （2） 弥散作用类型 分子扩散(迁移) 分子扩散作用在温度、压力一定时，其大小与浓度差成为正比，可以用裴克定律表示： Im=DmgradC 式中，Im 物质通过单位面积的扩散量。grad梯度C 物质浓度Dm 分子扩散系数 表示物质向浓度减少的方向扩散。,Company Logo,5.3 弥散作用,一、物质在地下水中的弥散机理 2弥散迁移机理 （2） 弥散作用类型 分子扩散(迁移) 分子扩散作用不仅存在于静止液体中，也发生在运动的液体中。分子扩散作用在地层中进行得很缓慢，特别是在粘土层中更慢。如果研究近期(100200年)的元素迁移问题，一般可以忽略。但如果从地质历史角度去研究，则分子扩散对地下水元素的迁移具有重要作用。如核废物中的核素迁移的问题。,Company Logo,5.3 弥散作用,一、物质在地下水中的弥散机理 2弥散迁移机理 （2） 弥散作用类型 对流迁移 物质随着运动介质一起迁移称为对流迁移。这是自然界物质迁移的主要方式。 物质对流迁移的数量与物质的浓度和介质(地下水)的运动速度有关，可用下式表示： Ik=CV 式中，Ik物质对流体迁移的数量C物质在地下水中的浓度V运动介质的平均流动速度,Company Logo,5.3 弥散作用,一、物质在地下水中的弥散机理 2弥散迁移机理 （2） 弥散作用类型 渗透分散迁移 由于地下水在多孔介质中渗流时，除有一假想的平均流动速度外，实际速度的分布是极其复杂，而且是极不均匀的。在同一段时间内，在流速大的地方，物质迁移得很远，在流速小的地方迁移得近。 因此，把物质随着渗透水流一同迁移时，由于速度不均所产生的弥散现象称为渗透分散。由渗透分散所产生的物质迁移，称为渗透分散迁移 。它包括微观渗透分散和渗透分散迁移。实际上渗透分散迁移也是一种对流迁移。,Company Logo,5.3 弥散作用,一、物质在地下水中的弥散机理 2弥散迁移机理 （2） 弥散作用类型 渗透分散迁移 微观渗透分散迁移可以有以下三情况：a、在多孔介质中，从单个孔管来看，由于液体的粘性，受介质孔隙壁的磨擦阻力而形成抛物面的实际流速，管的中轴线处流速最大；b、由直径的大小不同而使沿孔轴的最大速度发差异；c、质点的流线在沿流向方向中弯曲起伏的情况不同，即物质迁移的距离不同而引起的沿流向前进速度的差异。 这三种情况是同时发生的，综合起来形成微观渗透分散迁移。,Company Logo,5.3 弥散作用,一、物质在地下水中的弥散机理 2、弥散迁移机理 （2） 弥散作用类型 渗透分散迁移 宏观渗透分散迁移上述的微观渗透分散迁移，是发生在均质的岩石（层）中。而在非均质的岩层中，由于各部分岩石的渗透性不同而引起的弥散现象，称为宏观渗透分散。由宏观渗透分散所引起的物质迁移，称为宏观渗透分散迁移。,Company Logo,5.3 弥散作用,一、物质在地下水中的弥散机理 3迁移方式的判别 元素在地下水中的迁移方式有分子扩散、对流迁移、渗透分散迁移三种。它们在迁移中所起的作用可以用贝克莱特（Peclet）数PL来判别： 式中，V渗透流速(L/T)；d表示多孔介质特征系数，在园球形介质中可取球粒直径(L)；Dm分子扩散系数(L2T).,Company Logo,5.3 弥散作用,一、物质在地下水中的弥散机理 3迁移方式的判别在一定的水岩系统中，Dm近于常数, d也近于常数，所以PL与V近于成正比。当V很小时，PL亦很小，说明元素迁移以分子扩散为主，对流可以忽略不计。当V很大时，则以对流迁移为主，分子扩散则可以忽略计。 PL10时，对流占优势(包括渗透分散) n102PL10时，物质迁移具有混合性质。,Company Logo,5.3 弥散作用,二、元素在地下水中迁移的基本方程 元素在地下水中的迁移既有对流迁移，又有分子扩散迁移和渗透分散迁移。在迁移过程 中，还可能发生相转移。 因此，物质在地下水中的浓度是不断变化的，是时间和空间的函数，可记为: 运用裴克定律，达西定律和质量守恒定律可以导出物质在地下水中迁移的基本微分方程，称为溶质运移方程或弥散方程。,Company Logo,5.3 弥散作用,二、元素在地下水中迁移的基本方程 假定溶质运移时，溶液的粘度和密度不变，则该方程可表示为：,Company Logo,5.3 弥散作用,二、元素在地下水中迁移的基本方程 Dx、Dy、Dz是表征分子扩散和渗透分散共同作用的系数； Vx、Vy、Vz为渗流的平均流速。 源汇项，代表在渗流迁移过程中，元素的相间转移项。当元素从固相转入地下水时，该项称为“源”，W取+号，反则，当元素从地下水转入固相时，被岩石吸附或沉淀时，该项称为“汇”，W取号。 该方程是一个有两个未知数C，V的二阶三维偏微方程，其解相当复杂，在实际应用中，常作一些合理化的简化，可以得出实用的近似解。,Company Logo,复习思考题,1、什么是标型元素？其标型程度取决于什么因素？ 2、根据空气迁移的标型元素，表生带可区分那几种氧化还原环境？每一样环境有何特征？ 3、什么是水迁移强度系数？迁移相对性系数和沉淀强度系数 4、什么是弥散作用？它包括哪几种作用？ 5、什么是分子扩散，对流迁移和渗透分散？,Company Logo,本章内容,5.1 概述 5.2 元素在地下水中迁移的一般特征 5.3 弥散作用,
