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    水—岩相互作用研究的机遇与挑战

    沈照理 王焰新 郭华明

    沈照理, 王焰新, 郭华明, 2012. 水—岩相互作用研究的机遇与挑战. 地球科学, 37(2): 207-219. doi: 10.3799/dqkx.2012.021
    引用本文: 沈照理, 王焰新, 郭华明, 2012. 水—岩相互作用研究的机遇与挑战. 地球科学, 37(2): 207-219. doi: 10.3799/dqkx.2012.021
    SHEN Zhao-li, WANG Yan-xin, GUO Hua-ming, 2012. Opportunities and Challenges of Water-Rock Interaction Studies. Earth Science, 37(2): 207-219. doi: 10.3799/dqkx.2012.021
    Citation: SHEN Zhao-li, WANG Yan-xin, GUO Hua-ming, 2012. Opportunities and Challenges of Water-Rock Interaction Studies. Earth Science, 37(2): 207-219. doi: 10.3799/dqkx.2012.021

    水—岩相互作用研究的机遇与挑战

    doi: 10.3799/dqkx.2012.021
    基金项目: 

    国家自然科学基金项目 41172224

    国家自然科学基金项目 40872160

    国家自然科学基金项目 41120124003

    国家自然科学基金项目 40830748

    教育部新世纪优秀人才项目 NCET-07-0770

    详细信息
      作者简介:

      沈照理(1932-), 男, 教授, 博士生导师, 1952年毕业于清华大学, 1961年毕业于莫斯科地质勘探学院, 获矿物-地质学副博士学位, 长期从事水文地质和环境工程教学和研究工作.E-mail: shenzl@cugb.edu.cn

    • 中图分类号: P641.3

    Opportunities and Challenges of Water-Rock Interaction Studies

    • 摘要: 简要回顾水—岩相互作用研究的历史, 它基本经历了一个从水—岩相互作用, 到水—岩—有机物相互作用, 最后到水—岩—气—有机物—微生物相互作用研究的发展历程.近年来, 除基础地质及与矿产资源有关的课题继续深入外, 地下水环境演化与全球变化、含水系统中微量变价元素的迁移、转化与富集、地下水环境污染治理与修复、废物地质处置与CO2封存等, 已经成为水—岩相互作用领域的研究热点.随着物理、化学、生物等领域中各种新理论和新方法的不断应用, 水—岩相互作用研究面临着新的机遇和挑战, 主要包括: 地下水系统中生物地球化学过程研究、水—岩相互作用中微观机理与宏观地球化学过程的耦合, 以及水—岩相互作用中的同位素分馏及应用等.

       

    • 图  1  英国东部内陆三叠纪砂岩含水层地下水中Na/Cl、K/Na的摩尔比与水温之间的关系(Edmunds, 2009)

      Fig.  1.  Na/Cl vs. temperature (a) K/Na vs. temperature (b) in groundwaters from East Midlands aquifer in UK

      图  2  石笋截面图(a)、Mn(b)和As(c)含量分布(Zhou et al., 2011)

      Fig.  2.  Image of stalagmite (a) and its manganese (b) and arsenic (c) concentrations

      图  3  孟加拉高砷地下水区SO42- (a)、As、NH4+、Ca2+ (b)随深度的变化(Harvey et al., 2002);匈牙利和罗马利亚的潘诺尼亚盆地地下水As与CH4(c),As与总S(d)之间的关系(其中Ⅰ代表产甲烷地下水;Ⅱ代表硫酸根还原水)(Rowland et al., 2011);密西根富营养的Upper Mystic Lake (UML)中,1997年6月28日As和NO3-浓度随深度的变化(e);1997年11月18日As(Ⅲ)、As(V)和NO3-随深度的变化(f)(Senn and Hemond, 2002)

      Fig.  3.  Variations of dissolved SO42- (a), As, NH4+ and Ca2+ (b) with depth in Bangladesh (Harvey et al., 2002); Comparison of As (tot) with CH4 (c), S(tot) (d) of waters from the Pannonian Basin (Ⅰ: Methanogenic; Ⅱ: Sulphate-reducing) (Rowland et al., 2011); Observed NO3-, As(Ⅲ), As(V) and As profiles in Upper Mystic Lake (UML) on June 28, 1997 (e) and November 18, 1997 (f) (Senn and Hemond, 2002)

      图  4  CO2泄漏100年后Pb浓度(a)和As浓度(b)随离渗漏点距离的变化(MCL为最大污染水平;虚线表示CO2的渗漏速度为7.5×10-5kg/s;实线表示CO2的渗漏速度为6.0×10-4kg/s)(Zheng et al., 2009)

      Fig.  4.  Comparison of lead (a) and arsenic (b) concentration profile along x at y=0 after 100 years of CO2 intrusion (Solid lines: CO2 intrusion rate of 6×10-4kg/s; dash lines: CO2 intrusion rate of 7.5×10-5kg/s)

      图  5  地球表层一些重要的地微生物栖息地(a)及其相应的代谢过程(b)(Newman and Banfield, 2002)

      Fig.  5.  Important geomicrobial habitats (a) and their metabolisms (b) near the earth surface

      图  6  地热系统中微生物与地球化学过程的协同演化(Reysenbach and Shock, 2002)

      Fig.  6.  Evolutions of microbes and geochemistry in hydrothermal systems

      图  7  不同保存条件下沉积物中砷的K边XANES图谱(实线表示沉积物样品从钻孔取出后充入高纯N2,并在-20℃下保存;虚线表示样品从钻孔取出后装入朔料袋,密封后常温保存)

      Fig.  7.  K-edge XANES spectra of arsenic in the sediments preserved atdifferent conditions (Solid line: preserved with high purity N2 at -20℃; dash line: preserved in sealed plastic bags at room temperature)

      表  1  历史上重要水文地球化学事件(据Edmunds(2009),有改动)

      Table  1.   Chronology of important events in hydrogeochemistry

      时间 水文地球化学事件
      公元前475-221 《管子》中《地员》篇记载了从土的颜色、植物的种类等来判断地下水水质
      公元前460-377 古希腊希波克拉底引入了硬水和软水的概念
      公元23-79 古罗马学者老普林尼观察到地表水和地下水的差异以及水—岩相互作用对水质影响的重要性
      1086-1093 沈括所著《梦溪笔谈》记载,利用铜含量高的泉水提取金属铜
      1578 李时珍著《本草纲目》中把泉水按成分分成五类:硫磺泉、硃砂泉、矾石泉、雄黄泉、砒石泉
      1669 Joseph Glanvill解释了放热反应是地热水的热源
      1691 Sir Edmund Halley科学地介绍了水文循环
      1800 George Gibbes描述了硅石的溶解度,并把它作为地热温标
      1800-1820 发现了许多化学元素存在于地下水中
      1849和1853 伦敦霍乱的爆发,开启了饮用水的科学分析
      1887 瑞典化学家阿列纽斯发展了离解理论
      1893 居里夫人在巴黎发现了镭
      1925 地球化学的先驱维尔纳德茨基(Vernadsky)出版了生物圈《The Biosphere》
      1935 Dole首次在密西根湖的研究中应用环境同位素(氧)
      1950 首期《Geochimica et Cosmochimica Acta》出版
      1953 Libby认识到氚在水文学中应用的潜力
      1959 John Hem出版了第一版“天然水化学特征的研究与解释”
      1962 沈照理等编写的《专门水文地质学下册(水文地球化学部分)》由燃料工业出版社出版,进一步推动了水文地球化学研究在中国的发展
      1964 Garrels和Christ出版了“溶液、矿物与平衡”
      1970 美国设立了美国环保局(USEPA)
      1973 Kharaka和Barnes出版了第一个地下水的地球化学模拟软件(SOLMINEQ)
      1974 第1届WRI在捷克召开
      1986 首期《Applied Geochemistry》出版
      1998 维尔纳德茨基的《生物圈》由Langmuir翻译成英文
      2006 欧盟地下水法案出版
      2007 第12届WRI会议在昆明召开
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      表  2  历届WRI国际学术会议的主题

      Table  2.   Themes of WRI symposium

      届(时间) 地点 主题
      1(1974) 捷克 天然水的来源;淡水—岩相互作用;地层水;同位素;模型、动力学与实验
      2(1977) 法国
      3(1980) 加拿大 地层水;矿床;活动的地热系统;水作用下矿物的稳定性;水岩相互作用的环境和工程方面;实验
      4(1983) 日本 活动的地热系统;矿水;地层水;同位素;实验和模拟;风化作用
      5(1986) 冰岛 矿物-流体界面地球化学;活动的地热系统;变质环境;稳定与放射性同位素;沉积盆地;地球化学模拟;热液矿床;水—岩—有机物反应
      6(1989) 英国 质量转移模拟和反应动力学;变质和热液反应;固液界面的地球化学;水岩相互作用——微量组分的源与汇;地球化学循环;能源与天然资源的地球化学
      7(1992) 美国 矿物-流体界面地球化学;地球化学模拟;有机地球化学;自然灾害与环境污染;全球过程;地表水和地下水中的氧化还原反应;风化过程与地表水环境;盐湖与蒸发盐矿床;非饱和带环境;地下水环境;稳定与放射性同位素;沉积盆地;地热系统;变质环境;热液矿床;海水—岩石相互作用
      8(1995) 俄罗斯 新方法、技术和应用;水岩相互作用动力学;稳定和放射性同位素;有机物和有机-无机相互作用;火山湖的物理化学过程;地表水的水文地球化学;卤水和热水的水文地球化学;地下水的水文地球化学;盆地流体的水文地球化学;陆地热水系统;海洋热水系统;变质环境;普通矿床;金矿;Fe-Mn矿床;地球化学模拟:理论基础和代码研发;地球化学模拟:野外和室内实验中的应用;与矿物和能源有关的环境问题
      9(1998) 新西兰 地热流体和气体;矿床;流体与构造;岩浆-水相互作用;变质作用;普通地热;实验与模拟;地下水质量;普通地下水;沉积盆地;海洋钻探项目:地下水;涉及有机物的过程;地表系统;矿物表面;风化作用;海洋;废物储存和处置
      10(2001) 意大利 地球化学循环、全球变化和自然灾害;水岩相互作用的模拟;热力学、动力学和实验地球化学;矿物表面和风化作用;地下水环境;沉积盆地;岩浆、变质和成矿过程;火山和地热过程;微量元素的活化;污染和修复:一般问题;污染和修复:矿山环境;废弃物储存与处置;生物地球化学过程与有机物的络合作用;水岩相互作用研究中的稳定和放射性同位素
      11(2004) 美国 火山和地热水岩过程和排气;地壳流体-岩石相互作用、质量转移和挥发性物质循环;地下水系统和沉积盆地中的水岩相互作用;CO2和H2S封存;分光和显微技术的进展;放射性核素与矿物和微生物的相互作用;矿物表面的络合作用:实验和理论研究;全时空尺度上的风化作用研究;从分子尺度到全球尺度的地球化学模拟;有机物的反应性;地微生物学:纪念Henry Ehrlich;铁的生物地球化学;水的地球化学和生物地球化学;环境地球化学
      12(2007) 中国 岩浆、变质和地热过程;构造作用活跃区的水岩相互作用;深部流体和地热流体;水岩相互作用的热力学和动力学模拟;矿物-水相互作用:从矿物表面到流域;海洋地球化学、盆地水文地质学和沉积地球化学;废物储存、处置和利用、CO2和SO2封存;稳定和放射性同位素、水文地球化学研究的示踪剂;有机地球化学、生物地球化学和地微生物学;地下水和沉积系统中的水岩相互作用过程;地下水质量;喀斯特地球化学;环境地球化学;气-土-水相互作用和包气带中的溶质运移;地质灾害和水岩相互作用;应用环境化学
      13(2010) 墨西哥 稳定同位素和放射性同位素以及其他示踪剂的测定和应用;地热系统中的水岩相互作用;成岩、变质和成矿过程中的水;流域中的水岩相互作用;包气带中溶质迁移过程中的相互作用;喀斯特中的水岩相互作用和沉积岩中的孔隙水化学;控制地下水水质的水岩相互作用;环境地球化学;尾矿中的水岩相互作用;污染场地勘察和修复中水岩相互作用的重要性;矿物表面和水-矿物界面过程的刻画;风化作用动力学中矿物表面的作用;水岩相互作用过程的数值模拟进展;CO2封存中水—岩—气相互作用;与水岩相互作用有关的地质灾害;生物地球化学过程中的水岩相互作用和石油的生成
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      表  3  原位生物修复受单环芳烃污染地下水时所选用的电子受体和微生物(Farhadian et al., 2008)

      Table  3.   Electron acceptors and microorganisms involved in the degradation of monoaromatic pollutants

      污染物* 电子受体 污染物* 微生物
      BTEX(汽油) 硫酸根(厌氧) B Pseudomonas aeruginosa
      BTEX和乙醇 硫酸根、螯合Fe(Ⅲ)和硝酸根(厌氧) BTE, TCE Pseudomonas putida F1
      苯、甲苯和MTBE MgO2(好氧) BTEX Rhodococcus rhodochrousPseudomonas putidaCladophialophora sp. strain T1;Pseudomonas putidaPseudomonas fluorescensAchromobacter xylosoxidans
      BTX H2O2(好氧) BTE(m-/p-)X Rhodococcus sp. RR1 and RR2
      BTEX(石油) 硝酸根(厌氧) BTE(o-)X Pseudomonas putida Pseudomonas fluorescens
      BTEX(石油) 硝酸根和硫酸根(厌氧) BTE(o-)X Rhodococcus sp. strain DK17
      BTEX(汽油) 硫酸根、Fe(Ⅲ)、硝酸根以及产甲烷环境(厌氧) BTX Geobacteraceae
      苯(石油) 硫酸根和Fe(Ⅲ)(厌氧) BT(m-)X Rhodococcus pyridinovorans PYJ-1
      BTEX(汽油) 氧气 BT(p-)X Pseudomonas sp. ATCC 55595
      BTEX(汽油) 硝酸根和硫酸根(厌氧) T Ralstonia picketii PKO1;Burkholderia cepacia G4;Ralstonia pickettii strain PKO1;Blastochloris sulfoviridis ToP1
      BTEX(燃料油) KNO3作为电子受体,磷酸铵作为营养物(厌氧) T(m-/p-)X Pseudomonas putida strain mt-2
      *m-X:间二甲苯;o-X:邻二甲苯;p-X:对二甲苯;B:苯;T:甲苯;TCE:三氯乙烯;MTBE:甲基叔丁基醚.
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    出版历程
    • 收稿日期:  2012-01-05
    • 刊出日期:  2012-03-15

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