2025年大學(xué)《地球化學(xué)》專業(yè)題庫——地球化學(xué)在地下水采水中的應(yīng)用考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、簡要解釋水在地球化學(xué)循環(huán)中主要涉及的物理化學(xué)過程及其對(duì)地下水化學(xué)成分形成的影響。二、什么是地下水水化學(xué)類型？試述影響地下水水化學(xué)類型的主要因素，并舉例說明不同地貌單元或巖性區(qū)可能形成的典型水化學(xué)類型。三、簡述利用穩(wěn)定同位素（如δD,δ1?O,δ13C,δ1?N）作為地下水天然示蹤劑的基本原理，并說明至少三種利用這些同位素解決地下水問題的應(yīng)用實(shí)例。四、定義地下水背景值。闡述確定地下水背景值的方法及其重要性。試分析自然因素（如氣候、地形、巖性）和人為活動(dòng)對(duì)地下水背景值可能產(chǎn)生的影響。五、什么是離子吸附-解吸作用？試述該過程對(duì)地下水中主要陽離子（如Na?,K?,Ca2?,Mg2?）分布、水化學(xué)類型演變以及評(píng)價(jià)地下水（特別是灌溉水）適宜性的影響。六、簡述酸雨對(duì)地下水的化學(xué)影響過程。一個(gè)地區(qū)的酸性降水入滲后，可能導(dǎo)致地下水發(fā)生哪些化學(xué)變化？這些變化對(duì)含水層介質(zhì)和地下水質(zhì)可能產(chǎn)生什么后果？七、試述地下水氟污染的主要來源。簡述氟在天然水-巖體系中的遷移轉(zhuǎn)化基本規(guī)律（包括吸附、沉淀、溶解等過程）。如何根據(jù)氟的地球化學(xué)行為預(yù)測氟污染地下水的分布范圍？八、某地下水開發(fā)利用過程中，發(fā)現(xiàn)水化學(xué)類型由原來的HCO?-Ca·Mg型逐漸演變?yōu)镾O?-Ca·Mg型，并伴隨總礦化度升高。試分析導(dǎo)致這種變化可能的地球化學(xué)原因。九、簡述地球化學(xué)方法在識(shí)別地下水污染源方面的基本思路。如果懷疑某區(qū)域地下水受到生活污水污染，可以采用哪些地球化學(xué)指標(biāo)或技術(shù)進(jìn)行初步判斷？十、試述地下水化學(xué)類型與巖土體地球化學(xué)反應(yīng)之間的關(guān)系。在進(jìn)行地下水環(huán)境影響評(píng)價(jià)時(shí)，如何利用水-巖反應(yīng)理論預(yù)測潛在的水質(zhì)惡化趨勢？十一、計(jì)算題。1.某水樣測得c(Ca2?)=80mg/L,c(Mg2?)=30mg/L,c(HCO??)=280mg/L,c(SO?2?)=50mg/L。假設(shè)水樣處于平衡狀態(tài)，計(jì)算該水樣的總堿度（以CaCO?計(jì)）和總硬度（以CaCO?計(jì)），并判斷其水化學(xué)類型（參考相關(guān)圖解，此處無需繪圖）。2.某地下水流系統(tǒng)存在兩種混合水源：A水來源自大氣降水，δD=-60‰,δ1?O=-8‰；B水來源自深層地下水，δD=-80‰,δ1?O=-10‰。實(shí)測混合水樣的δD=-70‰,δ1?O=-9‰。試估算混合水中A、B兩種水源的相對(duì)比例（假設(shè)混合過程為線性混合）。十二、綜合應(yīng)用題。某區(qū)域正在進(jìn)行地下水勘查，以尋找適合飲用和灌溉的地下水。初步地球化學(xué)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，表層土壤和淺層地下水受到一定程度的農(nóng)業(yè)化肥（氮、磷）和農(nóng)藥污染，但深層潛水含水層（主要賦存于砂巖和粘土互層中）水化學(xué)特征表現(xiàn)為微堿性（pH≈8.0），總硬度中等，主要離子為HCO??,Ca2?,Mg2?,Na?,Cl?，陰離子類型相對(duì)穩(wěn)定，無明顯的有害離子超標(biāo)現(xiàn)象。然而，有資料顯示該區(qū)域歷史上曾有過工業(yè)活動(dòng)，特別是可能涉及含硫工業(yè)。請(qǐng)結(jié)合上述地球化學(xué)信息，分析該深層潛水含水層水化學(xué)特征的形成可能受到哪些因素的影響？并探討該水質(zhì)是否適合直接作為飲用水源和灌溉水源？提出你的判斷依據(jù)。試卷答案一、水在地球化學(xué)循環(huán)中主要涉及的物理化學(xué)過程包括：蒸發(fā)、水汽輸送、降水、入滲、徑流、基巖交代、礦物溶解、沉淀、氧化還原反應(yīng)以及離子交換等。這些過程導(dǎo)致水與巖石、土壤相互作用，使水中溶解各種化學(xué)元素和化合物。蒸發(fā)和降水過程影響水循環(huán)和同位素分餾；入滲和基巖交代過程是地下水化學(xué)成分形成的主要途徑，水與不同巖土介質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)（溶解、沉淀、離子交換），溶解礦物質(zhì)使水中富集離子，沉淀反應(yīng)則使某些離子去除，氧化還原反應(yīng)影響還原性或氧化性物質(zhì)的濃度，最終決定了地下水的化學(xué)成分和化學(xué)特征。二、地下水水化學(xué)類型是指地下水中溶解鹽類的化學(xué)組成特征，通常用主要離子（如HCO??,CO?2?,SO?2?,Cl?）和主要陽離子（如H?,K?,Na?,Ca2?,Mg2?）的種類和相對(duì)含量來表征。影響地下水水化學(xué)類型的主要因素包括：氣候（決定降水類型和入滲水量，影響水-巖反應(yīng)強(qiáng)度和同位素組成）、地形（影響水力坡度和徑流路徑長度）、巖性（提供溶解物質(zhì)，控制反應(yīng)發(fā)生的可能性）、地質(zhì)構(gòu)造（控制含水層分布和補(bǔ)給排泄條件）、水文地質(zhì)條件（如補(bǔ)給來源、水力聯(lián)系、水巖接觸時(shí)間和程度）以及人類活動(dòng)（如工農(nóng)業(yè)污染、地下水開采）。例如，在碳酸鹽巖分布區(qū)，由于強(qiáng)烈的巖溶作用，常形成HCO?-Ca·Mg型水；而在蒸發(fā)強(qiáng)烈的干旱半干旱地區(qū)，易形成SO?或Cl?主導(dǎo)的類型。三、利用穩(wěn)定同位素作為地下水天然示蹤劑的基本原理是基于不同來源或經(jīng)歷過不同物理化學(xué)過程的水體，其同位素組成（同位素比值）存在系統(tǒng)性的微小差異。通過測量水樣中的穩(wěn)定同位素（如氫、氧、碳、氮）的比值，可以追蹤水的來源、混合比例、水-巖/水-氣相互作用程度、地下水年齡和流動(dòng)路徑。應(yīng)用實(shí)例包括：①確定地下水補(bǔ)給來源，區(qū)分降水入滲、地表水補(bǔ)給或深層地下水混合；②追蹤地下水污染羽的運(yùn)移路徑和擴(kuò)散范圍，判斷污染源方向；③估算地下水年齡，特別是利用氚（3H）和碳-14（1?C）等放射性同位素；④評(píng)價(jià)不同含水層之間的水力聯(lián)系；⑤研究地下水與地表水之間的交換關(guān)系。四、地下水背景值是指在一個(gè)特定區(qū)域內(nèi)，未受到顯著人為污染影響時(shí)，地下水天然存在的化學(xué)組成特征，通常以某種指示礦物（如長石、云母）完全溶解或水-巖達(dá)到長期平衡時(shí)的化學(xué)成分來近似代表。確定地下水背景值的方法主要有：分析未受污染的深層地下水樣、分析區(qū)域邊緣或偏遠(yuǎn)地區(qū)的地下水樣、利用地球化學(xué)模型模擬天然條件下水-巖反應(yīng)平衡、結(jié)合同位素和微量元素特征排除人為干擾等。其重要性在于：它是評(píng)價(jià)地下水是否受到污染的基準(zhǔn)；是劃分地下水污染程度和污染類型的基礎(chǔ)；是進(jìn)行地下水環(huán)境影響評(píng)價(jià)和修復(fù)效果評(píng)估的參照標(biāo)準(zhǔn)。自然因素如氣候（影響蒸發(fā)-入滲平衡和同位素分餾）、地形（控制水循環(huán)路徑和巖性分布）、巖性（提供溶解物質(zhì)種類和數(shù)量）和構(gòu)造（控制地下水系統(tǒng)格局）都會(huì)通過影響水-巖相互作用過程和強(qiáng)度，從而影響地下水背景值。人為活動(dòng)如工業(yè)排放、農(nóng)業(yè)施肥、垃圾填埋、礦山開采等會(huì)顯著改變地下水化學(xué)成分，使其偏離天然背景值。五、離子吸附-解吸作用是指帶電礦物（主要是粘土礦物、氧化物和氫氧化物）表面與水中離子之間發(fā)生的可逆吸附和脫附過程。在地下水系統(tǒng)中，含水層介質(zhì)（特別是粘土和氧化物）會(huì)吸附和釋放陽離子（如Na?,K?,Ca2?,Mg2?）和陰離子（如HCO??,SO?2?,Cl?）。該過程對(duì)地下水中主要陽離子分布的影響體現(xiàn)在：當(dāng)水溶液中某種陽離子濃度相對(duì)較高時(shí)，礦物表面會(huì)優(yōu)先吸附該陽離子，導(dǎo)致水中該陽離子濃度降低；反之，當(dāng)水中該陽離子濃度降低時(shí)，礦物會(huì)釋放出吸附的陽離子到水中。這會(huì)改變水中陽離子的相對(duì)比例，進(jìn)而影響水的總礦化度和水化學(xué)類型。例如，在干旱半干旱地區(qū)，強(qiáng)烈的蒸發(fā)濃縮作用會(huì)導(dǎo)致Na?相對(duì)Ca2?,Mg2?的比值升高，這通常與粘土礦物的選擇吸附-解吸作用有關(guān)。離子吸附-解吸也影響地下水化學(xué)性質(zhì)的穩(wěn)定性，并可能導(dǎo)致地下水硬度變化。評(píng)價(jià)地下水（特別是灌溉水）適宜性時(shí)，需要考慮離子吸附-解吸對(duì)離子有效性（如植物可吸收的陽離子）和鈉吸附比（SAR）的影響，SAR過高會(huì)導(dǎo)致土壤鹽堿化。六、酸雨是指pH值低于5.6的降水，其主要化學(xué)成分是硫酸（H?SO?）和硝酸（HNO?），由大氣中二氧化硫（SO?）和氮氧化物（NOx）與水反應(yīng)生成。酸雨對(duì)地下水的化學(xué)影響過程主要是通過降水入滲進(jìn)入含水層，與巖石、土壤發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。首先，酸雨會(huì)加速碳酸鹽巖（主要成分是CaCO?）的溶解，反應(yīng)式為：CaCO?(s)+H?SO?(aq)→CaSO?(aq)+H?O(l)+CO?(g)。其次，酸雨還會(huì)溶解其他堿性巖石（如白云石、石灰石）和含鐵、鋁的礦物。在含有氧化鐵、氫氧化鐵或氫氧化鋁膠體的土壤和砂層中，酸雨會(huì)溶解這些膠體，釋放出Fe3?,Al3?等金屬離子，可能使地下水鐵、鋁含量升高，并改變pH值。長期酸性降水入滲可能導(dǎo)致含水層中CaCO?含量減少，Ca2?濃度降低，而SO?2?,NO??濃度相對(duì)升高，水化學(xué)類型可能向SO?型或NO?型演變，總礦化度也可能因溶解作用而升高。這些化學(xué)變化可能使地下水水質(zhì)惡化，例如鐵、錳超標(biāo)，或?qū)е峦寥浪峄?。七、地下水氟污染的主要來源包括：天然來源（如富含氟化物的巖石、土壤和礦物（特別是氟磷灰石）在水中溶解釋放氟離子）、人為來源（如磷肥生產(chǎn)和使用、氟化物排放（工業(yè)廢水、煙氣）、垃圾填埋場滲濾液、含氟礦泉水開采不當(dāng)?shù)龋?。氟在天然?巖體系中的遷移轉(zhuǎn)化基本規(guī)律主要包括：①溶解作用：含氟礦物（如氟磷灰石、氟石）在水中溶解是氟進(jìn)入地下水的天然主要途徑，溶解程度受水化學(xué)條件（pH、競爭離子濃度）和溫度影響。②吸附作用：粘土礦物、氧化物（如鐵鋁氧化物）和某些碳酸鹽礦物的表面對(duì)氟離子具有一定的吸附能力，尤其是在堿性條件下或高競爭離子濃度下，吸附作用增強(qiáng)，可使氟從水中去除。③沉淀作用：當(dāng)水中氟離子濃度過高時(shí)，可能與鈣離子、鎂離子等結(jié)合形成氟化物沉淀（如CaF?,MgF?），從水中去除氟。④水-氣交換：雖然水溶液中氟的揮發(fā)性很低，但在特定條件下（如高溫、高蒸發(fā)）可能發(fā)生少量損失。氟的地球化學(xué)行為決定了其在地下水中的分布和遷移特征。在含氟背景較高的巖土環(huán)境中，氟容易在地下水中富集；而在吸附能力強(qiáng)的介質(zhì)發(fā)育區(qū)，氟的遷移范圍可能受限。因此，可以通過分析地下水氟的地球化學(xué)行為（如氟濃度、氟與其他離子（如Ca2?）的比值、吸附-解吸實(shí)驗(yàn)等）來預(yù)測氟污染地下水的分布范圍和遷移趨勢，識(shí)別高氟區(qū)。八、地下水水化學(xué)類型由HCO?-Ca·Mg型演變?yōu)镾O?-Ca·Mg型，并伴隨總礦化度升高，可能的地球化學(xué)原因分析如下：①氧化還原條件變化：如果地下水流經(jīng)富含硫酸鹽（SO?2?）的氧化環(huán)境（如接近地表或經(jīng)過有機(jī)質(zhì)分解區(qū)），SO?2?可能被還原為S2?或HS?，同時(shí)水中的HCO??可能被氧化為CO?2?。CO?2?與Ca2?結(jié)合形成CaCO?沉淀，導(dǎo)致HCO??濃度降低，而SO?2?濃度相對(duì)升高，水化學(xué)類型向SO?型演變。同時(shí)，氧化過程可能消耗水中的H?，導(dǎo)致pH升高，可能促進(jìn)其他礦物的溶解，導(dǎo)致總礦化度升高。②水rock反應(yīng)：地下水與含硫酸鹽的礦物（如黃鐵礦FeS?氧化產(chǎn)物、石膏CaSO?·2H?O）或含鎂硫酸鹽礦物反應(yīng)，溶解釋放Ca2?,Mg2?,SO?2?。例如，F(xiàn)eS?+2H?O+O?→Fe2?+SO?2?+4H?，隨后Fe2?可能被氧化為Fe3?并水解沉淀，CO?溶解形成H?CO?，共同作用可能導(dǎo)致SO?2?濃度升高，HCO??濃度相對(duì)降低，且H?濃度增加導(dǎo)致pH降低，進(jìn)而可能溶解更多硅酸鹽或碳酸鹽，使總礦化度升高。③混合作用：深層SO?型地下水與淺層HCO?型地下水混合，如果混合比例使得SO?2?相對(duì)比例增加，且混合過程伴隨著水-巖反應(yīng)導(dǎo)致礦化度升高，則可能出現(xiàn)此現(xiàn)象。④礦物溶解：含水層中可能存在含鎂硫酸鹽礦物（如鎂鹽），其溶解直接導(dǎo)致Mg2?,SO?2?濃度升高，同時(shí)可能消耗HCO??或CO?2?，并可能伴隨其他陽離子（如Ca2?）的溶解，導(dǎo)致總礦化度升高。九、地球化學(xué)方法在識(shí)別地下水污染源方面的基本思路是利用污染水樣與背景水樣在化學(xué)成分上的差異，尋找反映污染源特征的獨(dú)特“指紋”或化學(xué)信號(hào)。主要方法包括：①元素地球化學(xué)指紋：分析污染水樣中特征元素（如重金屬As,Cd,Cr,Hg,Pb,Cu,Zn,F,Br,I等）或常量元素（如Cl?,NO??,SO?2?）的濃度和比值，如果其含量或比值顯著高于背景值或正常值，且具有特定組合特征，可以指示特定的污染源類型。例如，高濃度Cl?和SO?2?可能指示生活污水或含硫工業(yè)廢水污染；高濃度NO??可能指示農(nóng)業(yè)化肥（氮肥）或污水污染；高濃度As可能指示含砷礦物開采或冶煉活動(dòng)污染；高濃度F可能指示磷肥廠或氟化物礦區(qū)污染。②穩(wěn)定同位素地球化學(xué)指紋：分析污染水樣中穩(wěn)定同位素（如δD,δ1?O,δ2H,δ13C,δ1?N,δ1?N）的比值，如果其值與可能的污染源（如降水、地表水、特定工業(yè)過程）的預(yù)期值顯著不同，可以幫助識(shí)別或排除某些污染源。例如，δ1?N值升高可能指示污水或硝酸鹽污染；δ13C值變化可反映有機(jī)物污染或不同碳源（如巖溶水vs.生物降解產(chǎn)物）。③水化學(xué)類型和離子比值變化：分析污染導(dǎo)致的水化學(xué)類型轉(zhuǎn)變（如從Ca-HCO?型變?yōu)镾O?-Cl型）或特征離子比值的改變（如Na?/K?,Mg2?/Ca2?,Sr/Ca,δD-δ1?O關(guān)系等），可以提供污染來源和過程的信息。例如，顯著的SO?2?增加常與含硫工業(yè)或污水有關(guān)。對(duì)于懷疑生活污水污染的情況，可以重點(diǎn)關(guān)注Cl?/SO?2?比值（通常Cl?>SO?2?）、F?,NO??,B,Si等元素含量以及δD,δ1?O,δ1?N等特征。通過綜合分析這些地球化學(xué)指標(biāo)，可以更準(zhǔn)確地識(shí)別地下水污染的來源。十、地下水化學(xué)類型與巖土體地球化學(xué)反應(yīng)之間存在著密切的因果關(guān)系。地下水化學(xué)類型是水在流經(jīng)不同巖土介質(zhì)（巖石、土壤、沉積物）過程中，通過溶解、沉淀、氧化還原、離子交換等地球化學(xué)反應(yīng)與介質(zhì)成分相互作用的結(jié)果。反過來，通過分析地下水的化學(xué)類型及其演變過程，可以推斷水-巖反應(yīng)的類型、強(qiáng)度和發(fā)生的介質(zhì)環(huán)境。水-巖反應(yīng)是地下水化學(xué)成分形成和變化的核心驅(qū)動(dòng)力。例如：①在碳酸鹽巖地區(qū)，強(qiáng)烈的巖溶作用（水-巖反應(yīng)）導(dǎo)致HCO??濃度高，Ca2?濃度高，形成HCO?-Ca型水；②在蒸發(fā)濃縮地區(qū)，水-巖反應(yīng)（如鹽類溶解、結(jié)晶）導(dǎo)致Cl?,SO?2?濃度升高，形成Cl?-Na型或SO?-Cl型高礦化度水；③在有硫酸鹽存在的環(huán)境中，水-巖氧化還原反應(yīng)（如FeS?氧化）和沉淀反應(yīng)（如CaCO?沉淀）共同控制了SO?2?,Ca2?,Mg2?,HCO??的濃度，形成SO?-Ca型或SO?-Mg型水；④在含粘土礦物的沉積物中，離子交換反應(yīng)控制了孔隙水的離子組成和pH值。因此，在進(jìn)行地下水環(huán)境影響評(píng)價(jià)時(shí)，可以通過分析地下水化學(xué)類型的變化，識(shí)別主要的水-巖反應(yīng)過程及其發(fā)生的巖土介質(zhì)類型，預(yù)測這些反應(yīng)對(duì)水質(zhì)可能產(chǎn)生的影響。例如，如果發(fā)現(xiàn)地下水從HCO?-Ca型轉(zhuǎn)變?yōu)镾O?-Cl型，且伴隨礦化度升高，可能預(yù)示著含水層接觸了新的含硫酸鹽的介質(zhì)，或發(fā)生了強(qiáng)烈的氧化還原反應(yīng)，從而可以預(yù)測未來可能的水質(zhì)惡化趨勢（如Ca2?降低、SO?2?升高、pH可能降低），并據(jù)此提出管理建議（如控制污染源、調(diào)整開采方案等）。十一、1.計(jì)算總堿度（AT）和總硬度（TH）：*計(jì)算摩爾濃度：c(Ca2?)=80/40.08=1.997mol/Lc(Mg2?)=30/24.31=1.234mol/Lc(HCO??)=280/61.02=4.580mol/Lc(SO?2?)=50/96.06=0.520mol/L*計(jì)算碳酸鹽堿度（AC）：AC=(c(HCO??)/2)+c(CO?2?)由于未給出CO?2?濃度，假設(shè)溶液接近平衡，CO?2?濃度相對(duì)較低，主要貢獻(xiàn)來自HCO??。AC≈4.580/2=2.290mol/L以CaCO?計(jì)：AC=2.290mol/L*100.09g/mol=229.0mg/L*計(jì)算鈣鎂硬度（CH）：CH=2*c(Ca2?)+c(Mg2?)CH=2*1.997+1.234=5.228mol/L以CaCO?計(jì)：CH=5.228mol/L*100.09g/mol=522.8mg/L*總硬度（TH）=CH=522.8mg/L(以CaCO?計(jì))*總堿度（AT）=AC=229.0mg/L(以CaCO?計(jì))*水化學(xué)類型判斷：根據(jù)主要陽離子和陰離子濃度，該水樣可能為HCO?-Ca·Mg型，但總硬度（522.8mg/L）相對(duì)較高，可能更接近Ca·HCO?·SO?型或Ca·HCO?型，具體需結(jié)合三角圖等判別方法（此處按要求不繪圖）。陰離子主要為HCO??和SO?2?。2.計(jì)算混合比例：*設(shè)混合水中A、B水源的比例為x(A水比例)和(1-x)(B水比例)。*根據(jù)δD線性混合方程：δD_混合=x*δD_A+(1-x)*δD_B-70=x*(-60)+(1-x)*(-80)-70=-60x-80+80x10=20xx=0.5*根據(jù)δ1?O線性混合方程：δ1?O_混合=x*δ1?O_A+(1-x)*δ1?O_B-9=x*(-8)+(1-x)*(-10)-9=-8x-10+10x1=2xx=0.5*兩種同位素計(jì)算結(jié)果一致，混合比例x=0.5，即A水占50%，B水占50%。十二、該區(qū)域深層潛水含水層水化學(xué)特征分析及適宜性評(píng)價(jià)如下：*水化學(xué)特征分析：*微堿性（pH≈8.0）：可能反映了含水層介質(zhì)中存在一定的堿性礦物（如碳酸鹽巖碎屑或碳酸鹽膠結(jié)物），或者水-巖反應(yīng)釋放了OH?或HCO??。*總硬度中等：表明水-巖反應(yīng)相對(duì)溫和，溶解的陽離子（Ca2?,Mg2?）總量適中，可能主要來源于碳酸鹽巖或少量硅酸鹽礦物的溶解。*主要離子為HCO??,Ca2?,Mg2?,Na?,Cl?：HCO??