基于反向水文地球化学模拟的矿区地下水水化学演化机制研究

采用离子比例系数法分析了西藏某矿区地下潜水在2个不同水流方向上的水化学成分特征,并结合矿区含水层岩性,确定水文地球化学模拟过程中应加入的矿物组分;采用PHREEQC软件对矿区地下水2种不同径流方向上发生的水文地球化学反应进行识别,模拟结果表明:沿地下水路径1,从荣那沟上游至中游,发生了石膏、钠长石、钾长石的沉淀,钙长石的溶解以及阳离子交替吸附作用;沿路径2,从矿区东北侧至荣那沟,发生了石膏、岩盐、白云石、钠长石的沉淀,钾长石、钙长石、黄铁矿、赤铁矿的溶解,以及阳离子交替吸附反应。本次对矿区地下潜水水化学演化机制的研究,对分析影响西藏地区地下水水文地球化学演化规律具有重大意义。

地球化学软件PHREEQC在湿法冶金计算热力学中的应用

以加氢脱硫废催化剂中复合氧化物Ni Mo O_4的酸碱水溶液稳定性为例,采用PHREEQC软件进行了水溶液热力学模拟计算,介绍了PHREEQC软件的计算过程、计算原理、计算步骤及结果分析,并与传统手工算法进行了简单对比。相对于传统手工数学计算方法,PHREEQC具有计算效率高、简单灵活、可解决极复杂多元多相热力学问题等优点,对湿法冶金热力学分析有很大帮助,值得在湿法冶金热力学研究方面推广应用。

伊犁盆地蒙其古尔铀矿床水文地球化学模拟研究

水成铀矿床的形成受控于水文地球化学环境的变化,水-岩体系的pH、Eh值和水化学成分的改变是铀富集成矿的关键因素。笔者根据地质、水文及水化学分析资料,应用PHREEQC软件对伊犁盆地蒙其古尔铀矿床三工河组地下水系统中发生的水文地球化学过程进行模拟,以期确定:1)层间水在径流过程中与含水层发生的化学反应;2)水-岩化学反应发生的条件及进行的程度;3)体系中铀的水文地球化学行为及其成矿的有利条件。

矿井水深部转移水文地球化学变化模拟研究--以鄂尔多斯盆地东北部为例

煤矿的矿井水处置是矿井生产过程难题之一。矿井水深井回灌避免了水资源的浪费,降低了深度水处理的高额成本,做到了煤-水双资源开发利用,是非常有前景的应用模式。矿井水回灌过程中,在目的含水层与原地层地下水和含水层介质发生的水化学变化以及矿物相溶解沉淀平衡等因素都是影响回灌效果的重要方面。以鄂尔多斯盆地某矿刘家沟组为回灌目的层,模拟了矿井水回灌过程中可能发生的化学反应,应用PHREEQC软件对矿井水回灌的全过程进行混合模拟和水岩作用正向模拟。结果发现,在回注过程中主要有Ca^(2+)和SO_(4)^(2-)等发生沉淀,产生方解石、白云石和重晶石等矿物沉淀。通过温度变化的单一变量模拟,发现在一定温度变化范围内,温度升高使方解石和白云石等碳酸盐岩矿物沉淀量增加,重晶石等硫酸盐岩类矿物沉淀量减少。

渭河沉积物浸出的水文地球化学效应研究

基于渭河咸阳段(中游)和渭南段(下游)沉积物在水更新条件下的浸出实验及水文地球化学模拟,分析了浸出液中3个特征值和8个水化学组分的变化规律及5种矿物质饱和指数的变化特征.结果表明:浸出液中电导率、Eh值和p H值均随着换水量的增加呈现出波动式上升的变化趋势,电导率增加趋势中咸阳段高于渭南段,Eh值增加趋势中渭南段高于咸阳段,说明渭河下游沉积物的颗粒更细,物质还原性更强,浸出液由弱酸性逐步向弱碱性转变;浸出液的HCO^-_3、Cl^-、SO^(2-)_4含量均表现出随着换水量的增加呈现出先迅速增加,而后逐步减少直至趋于稳定的变化过程,且咸阳段的变化幅度明显高于渭南段,而CO^(2-)_3含量则呈现不断减少的趋势;Ca^(2+)、Mg^(2+)、Na^+、K^+含量均表现出随着换水量的增加呈现出先迅速增加,而后趋于稳定的变化过程,且咸阳段的起始含量和增加幅度均高于渭南段;浸出液中无水石膏、石膏的饱和指数随换水量的增加呈现相同的变化规律,且饱和指数都小于0,咸阳段饱和指数在换水量小于22.5%时溶解能力强,换水量大于22.5%后趋于饱和并开始沉淀的特征,渭南段换水量为12.5%时饱和指数最小,换水量大于或小于12.5%后饱和指数均呈缓慢增加的趋势;方解石、白云石的饱和指数随换水量的增加也呈现相同的变化规律,且饱和指数都大于0,咸阳段在换水量小于12.5%时溶解能力较强,换水量大于12.5%后处于饱和状态并开始沉淀,渭南段在换水量小于5%时溶解能力较强,换水量大于5%后处于饱和状态并开始沉淀;Na Cl饱和指数在换水量小于10%时溶解能力较强,换水量大于15%后开始沉淀.咸阳段沉积物中五种矿物质的饱和指数均要大于渭南段,说明渭河中游咸阳段沉积物在水不断更新条件下矿物质溶解能力低于下游渭南段,且沉淀能力较强、沉淀量较大.

水文地球化学模拟的国内外研究现状

近年来,随着水文地球化学理论研究的不断深入,水文地球化学模拟技术得到了迅速地发展,建立了比较完善的水文地球化学模型,并开发出了不同计算用途的水文地球化学软件近百个,应用于组分分布计算、地下水成因分析、水质评价、水质预测以及污染物迁移转化规律研究等多个方面,从而为指导对地下水的监测、保护及合理开采,预测地下水污染的发生、发展,提供了必要方法,成为了地下水管理中不可缺少的一部分。

峰峰矿区东部地下水水文地球化学模拟

应用离子比例系数法分析了峰峰矿区东部地下水化学成分特征,结合含水层岩性条件,为水文地球化学模拟中"可能矿物相"的确定提供依据;采用PHREEQC软件对含水层中水–岩作用进行水文地球化学模拟,模拟计算出饱和指数,通过质量平衡模拟计算水–岩作用过程中主要矿物相的转化量。结果表明:方解石和白云石处于饱和状态,在适当的条件下会沉淀,而岩盐、石膏处于未饱和的状态,在适当的条件下将继续溶解。沿地下水流路径,从五矿奥灰水—一矿奥灰水—一矿副井水,地下水系统中白云石、岩盐、石膏溶解,方解石沉淀,且发生了阳离子交换作用。研究矿井水中水–岩相互作用,初步探讨废弃矿井水文地球化学演化机制,对分析矿井水文地球化学演化的影响因素有重要作用。

典型新生代断陷盆地内孔隙地下水地球化学过程及其模拟:以山西太原盆地为例

以地处中国北方半干旱地区的典型新生代断陷盆地——太原盆地为例,分析了影响孔隙地下水化学特征的水-岩相互作用过程。研究结果显示:孔隙地下水的水化学类型表现出明显分带性,并与盆地水文地质单元分区吻合得很好。地下水地球化学过程的定性研究结论与基于PHREEQC的反向水文地球化学模拟结果一致,均表明对于地下水化学特征的形成和演化而言,硅酸盐和碳酸盐矿物的溶解-沉淀作用、排泄区地下水的蒸发浓缩作用及其与含水层介质的阳离子交换作用是控制性的地球化学过程。研究表明:地下水地球化学特征可指示地下水流动场,水化学过程研究是地下水系统结构研究的重要手段之一。

干旱-半干旱地区地下水水文地球化学演化规律研究

研究干旱-半干旱地区的地下水的演化规律对于该地区的工农业发展具有重大的意义。从地下水动力场、水岩作用的角度,对鄂尔多斯盆地北部的都思兔河-盐池地下水系统的地下水水文地球化学演化规律进行了研究,并应用PHREEQC软件计算出矿物饱和指数。研究表明:该地区地下水随着水流方向,地下水的水质发生明显的改变,并且水化学类型也呈现出了由HCO3型水向Cl型水转化的较强的规律性变化。总体上,水岩作用为石膏、萤石、菱铁矿的溶解以及方解石和白云石的沉淀作用。

利用PHREEQC对辛置煤矿含水层进行正向模拟

含水层的水文地球化学信息对于煤矿突水水源的判断具有很重要的参考意义。为了研究辛置煤矿含水层水源在含水层中发生的水岩相互作用,为煤矿突水水源判别提供水文地球化学方面的依据,以潜水含水层水体为起始水源,使用PHREEQC软件对辛置煤矿奥陶系灰岩含水层、K3和K2砂岩含水层进行了水岩相互作用的正向模拟,通过与实际水源水质信息的对比,绘制出实际水源和模拟水源的piper三线图,判断正向模拟的准确性,并为突水水源判断提供水文地球化学信息和水岩相互作用依据。

塔里木盆地塔北隆起寒武系地层水化学特征、成因及矿物溶解-沉淀模拟

通过对塔里木盆地塔北隆起英买-牙哈地区14口井以及轮探1井寒武系地层水的化学成分和离子比例系数的分析,以及水文地球化学模拟,明确了研究区塔北隆起寒武系地层水化学特征和成因与演化。结果表明:塔北隆起寒武系地层水是以Na^(+)+K^(+)和Cl^(-)为主的高矿化度CaCl_(2)型地层水。地层水中Na^(+)+K^(+)和Cl^(-)浓度与矿化度的相关性好,Na^(+)+K^(+),Ca^(2+),Mg^(2+),Cl^(-)和SO^(2-)_(4)浓度随埋深的增加呈先减小后增大的趋势,与矿化度随埋深的变化趋势一致,由此将地层水划分为越流泄水浓缩带和深部渗滤浓缩带。钠氯系数为0.39~0.55,平均值为0.51;脱硫酸系数为0.07~1.91,平均值为0.35。Phreeqc软件模拟矿物饱和指数得出:白云石的饱和指数为-3.43~1.95,平均值为-0.10,50.91%的白云石沉淀;石膏的饱和指数为-1.77~0.12,平均值为-0.80,94.64%的石膏溶解;方解石的饱和指数为-0.88~1.62,平均值为0.55,18.18%的方解石溶解。研究区塔北隆起方解石的白云石化和石膏溶解导致现今地层水中Ca^(2+)富集,Mg^(2+)亏损。塔北隆起寒武系地层水变质程度小,是由海水经历蒸发浓缩、离子吸附和水-岩相互作用演变形成的。

鄱阳湖流域赣江下游水化学特征及人类健康风险评价

人类活动对鄱阳湖赣江流域水质的影响受到广泛关注,厘清流域内污染水体对人类的健康风险状况有利于更好地保护和利用水资源。本研究于赣江下游采集39个地下水和16个地表水样,在分析其水化学特征和影响因素的基础上,对地下水水化学成分演变进行反向模拟,并对地下水水质以及潜在非致癌风险进行评价。结果表明,研究区地下水呈弱酸性-中性(pH=5.47~7.60),以HCO_(3)-Ca-Mg型水为主,部分为Cl-Ca-Mg型水,硅酸岩风化和矿物溶解-沉淀作用是水化学类型形成的主要控制因素;地表水呈中性-弱碱性(pH=6.94~8.19),主要为HCO_(3)-Cl-Ca-Na型水,其形成与硅酸岩风化、大气降水和人类活动有关。PHREEQC模拟计算结果表明,地下水中大部分矿物饱和指数(SI)为负数,其中岩盐的SI为-7.80~-9.53,指示该矿物溶解剧烈;白云石、石膏和方解石的SI分别为-1.72~-6.39、-1.65~-3.96、-0.51~-3.09,表明三种矿物呈溶解趋势。反向模拟结果显示,赣江干流地下水化学特征演变过程经历了Ca-蒙脱石、岩盐、白云石溶解和方解石沉淀,同时消耗CO_(2);支流中命名为NCGW-3的路径表现为高岭石、方解石、玉髓和白云石溶解,石膏、Ca-蒙脱石、黑云母和斜长石沉淀,同时产生CO_(2),可能与人为作用的干扰有关。其余支流地下水反向模拟结果与干流结果相似。熵权水质指数(EWQI)计算结果表明,干流地下水水质优于支流地下水,沿赣江受Mn、NO;影响水质降低;地下水非致癌潜在风险主要为对婴儿存在严重风险,其次是儿童,对成年男性和成年女性风险相对较小,支流水质存在的潜在风险相较于干流更为显著。

PHREEQC在五大连池富CO_2冷矿泉成因分析中的应用

分析了矿泉形成的水文地质成因,并应用PHREEQC对矿水形成的地球化学过程进行了模拟。初步认定:岩浆活动形成大量以水和二氧化碳为主的气体,沿火山通道上升,到达深大断裂带时与运移到此的地下水混溶,形成CO2高压溶水,CO2高压溶水不断溶蚀围岩。经溶蚀花岗闪长岩形成的深成矿水在上升过程中,在药泉山附近的多级深断裂交汇处汇聚,在沿断裂上升过程中不断与浅层地下水混合后出露地表形成矿泉。泉水绝大部分来源于浅层地下水。

德阳市罗江区浅层地下水化学特征与模拟

为了解罗江区地下水的水化学组分特征、水质状况及基础组分来源,分析井水作为生活用水的适宜性,采用了数理统计分析、PHREEQC模拟等方法进行了系统的研究。结果表明:研究区主要存在HCO3-Ca型水,TDS小于1 g/L,沿着地下水流向,绵远河流域主要存在伊利石、钙蒙脱石和硬石膏的溶解,以及石英、岩盐、高岭石的沉淀,水中Ca2+置换岩土体上的Na+,凯江流域主要存在伊利石、岩盐、钙蒙脱石、硬石膏、绿泥石的溶解,石英、高岭石的沉淀,水中Na+置换岩土体中的Ca2+。可见,研究区地下水中常见组分来源清晰,受外来污染少,可作为罗江区生产生活的安全用水,后期应更加注意地下水流经途中人类活动对地下水的影响。

河套平原五原地区地下水Fe-As-H_2O体系中砷的吸附释放趋势

通过在河套平原五原地区建立典型剖面,对从剖面上采集的水样进行测试分析,结合地质环境特征,得出五原剖面上各地质、地貌单元条件下砷在浅层地下水的赋存形态。应用美国地质调查局专业水文地球化学软件Phreeqc进行水文地球化学模拟,对五原地区地下水Fe-As-H2O体系中砷的吸附释放趋势进行讨论,得出五原剖面上扇前洼地砷酸盐主要表现为从羟基铁上解离释放出来;而黄河冲湖积平原地下水中As主要表现为在水中解离。黄河冲湖积平原地下水中Fe(OH)3对砷释放的抑制力远远高于扇前洼地。

甘肃北山地下水中Pu的形态分布及影响因素

利用日本原子力学研究所于2010年9月提供的热力学数据库,运用水文地球化学软件Phreeqc,模拟研究了甘肃北山地下水中Pu的存在形态。其结果表明:Pu在甘肃北山地下水中主要以Pu(OH)4形态为主,Pu(OH)+3占少量;pH和pE对Pu的形态分布有较大的影响。

膨润土的膨胀性衰减研究

利用地球化学软件Phreeqc模拟了高放核废料处置库的高压实MX80膨润土中发生的水文地球化学反应,基于长时间尺度的研究的需要,忽略热、力、流等因素的影响,主要考虑了K^+、Ca^(2+)、Na^+、Mg^(2+)四种阳离子的离子交换和矿物溶解沉淀反应,建立了膨润土中的一维离子运移反应模型。模拟了不同外界流体作用下,膨润土化学组分在时间和空间上的变化。结合化学组分变化结果,对膨润土膨胀性衰减情况进行了计算和评估。得到1万年后海水和地下水环境下的MX80膨润土膨胀性衰减系数分别达到0.79和0.91。

巴彦乌拉铀矿床酸法浸铀的水岩反应堵塞机理

为探讨酸法浸铀过程中含矿含水层的地球化学堵塞机理,运用PHREEQC模拟软件的化学形态和溶解度模拟,分析酸法浸泡试验中浸出液化学反应的化学组成成分,确定含矿含水层化学堵塞矿物的类型,得到含矿含水层发生化学堵塞的原因以及形成条件。模拟结果表明:巴彦乌拉地下铀矿中碳酸钙和针铁矿的含量相对较高,当高浓度的溶浸液注入地下含矿含水层之后,溶浸液会溶解碳酸钙和针铁矿,使Ca^(2+)、Fe^(3+)的浓度大幅度上升;当Ca^(2+)、Fe^(3+)浓度反应条件指数大于0时,Ca^(2+)会与SO_(4)^(2-)发生反应,生成石膏沉淀,而Fe^(3+)会与阴离子发生反应,生成铁矿物沉淀,导致孔隙率下降,渗透性降低,注液压力增大,注液流量减小,抽液量降低,地浸效益下降。基于以上研究,可为后续实际铀矿床的堵塞和铀的浸出提供参考。

花岗岩型干热岩体与不同注入水体相互作用研究

增强型地热系统(EGS)开发过程中,需要注入循环水体完成提热,但水体注入后与干热岩体反应会产生矿物溶解(或沉淀),破坏人工储层,影响地热能开发。本文以河北马头营区花岗岩型干热岩为研究对象,与该地区地下水、海水、纯水反应,并结合Phreeqc水文地球化学模拟,分析水岩相互作用后干热岩体的矿物变化与注入水体的化学成分变化规律。研究结果表明,不同注入水体与干热岩进行水岩作用,会产生不同类型的矿物溶解与沉淀,海水最终沉淀量较地下水低,主要原因是海水与干热岩体反应生成了具有吸附能力的沸石;适当减少海水中Cl^-含量,将处理过的海水作为循环水体将具有强大的潜力和效益。

甘肃梨园河流域地下水来源及其水化学特征

通过分析水化学与氢氧稳定同位素的关系,研究梨园河流域地下水的补给机理和水化学演化规律。地下水总溶解固体(TDS)自西南向东北递增,最大值为1 258 mg/L。沿流程方向,深层地下水的水化学类型由Ca-HCO3→Ca-Mg-HCO3、Mg-SO4→Na-SO4型。浅层地下水的水化学类型由Ca-HCO3→Mg-HCO3-SO4→Mg-SO4型。地表水的水化学类型无分异,主要为Ca-HCO3型。深层和浅层地下水沿途均发生了水岩融滤作用。Na+含量沿程增大,一是地下水中Ca2+与岩石中Na+发生阳离子交换作用,二是硅酸盐矿物的风化作用产生Na+。Phreeqc软件模拟显示,深层地下水中方解石先沉淀后溶解;CO2、石膏、白云石和岩盐溶解。浅层地下水中,方解石由不饱和逐渐变为饱和;石膏、岩盐一直溶解。地下水的δ2H和δ18O值大部分位于大气降水线上方,反应了山区现代降水或雪冰融水通过出山地表径流补给,交替更新快,且深层地下水向上补给浅层地下水和地表水。地表、地下水相互转化是该区水循环的主要特征。