《1 前言》

1 前言

《2 碳酸平衡检验方法》

2 碳酸平衡检验方法

$\begin{array}{l}\text{令}\text{C}{}_{\text{d},\text{i}}=\left(\text{Η}{}_{2}\text{C}\text{Ο}{}_{3}\right)+\left(\text{Η}\text{C}\text{Ο}{}_{3}^{-}\right)+\left(\text{C}\text{Ο}{}_{3}^{2-}\right)\\ \text{并}\text{设}a{}_{0}=\frac{\left(\text{Η}{}_{2}\text{C}\text{Ο}{}_{3}\right)}{\text{C}{}_{\text{d},\text{i}}}×100%\\ a{}_{1}=\frac{\left(\text{Η}\text{C}\text{Ο}{}_{3}^{-}\right)}{\text{C}{}_{\text{d},\text{i}}}×100%\\ a{}_{2}=\frac{\left(\text{C}\text{Ο}{}_{3}^{2-}\right)}{\text{C}{}_{\text{d},\text{i}}}×100%\end{array}$

《2.1 纯水中的a0, a1, a2值》

2.1 纯水中的a0, a1, a2值

$\begin{array}{l}a{}_{0}=\\ \left(1+\frac{1}{r{}_{\text{Η}\text{C}\text{Ο}{}_{3}^{-}}r{}_{\text{Η}{}^{+}}}\frac{Κ{}_{1}}{\left(\text{Η}{}^{+}\right)}+\frac{1}{r{}_{\text{C}\text{Ο}{}_{3}^{2-}}r{}_{{}_{\text{Η}{}^{+}}}^{2}}\frac{Κ{}_{1}Κ{}_{2}}{\left(\text{Η}{}^{+}\right){}^{2}}\right){}^{-1}×100%\\ a{}_{1}=\\ \left(1+r{}_{\text{Η}\text{C}\text{Ο}{}_{3}^{-}}r{}_{\text{Η}{}^{+}}+\frac{\left(\text{Η}{}^{+}\right)}{Κ{}_{1}}+\frac{r{}_{\text{Η}\text{C}\text{Ο}{}_{3}^{-}}}{r{}_{\text{C}\text{Ο}{}_{3}^{2-}}r{}_{\text{Η}{}^{+}}}\phantom{\rule{0.25em}{0ex}}\frac{Κ{}_{2}}{\left(\text{Η}{}^{+}\right)}\right){}^{-1}×100%\\ a{}_{2}=\\ \left(1+\frac{r{}_{\text{Η}{}^{+}}r{}_{\text{C}\text{Ο}{}_{3}^{2-}}}{r{}_{\text{Η}\text{C}\text{Ο}{}_{3}^{-}}}\frac{\left(\text{Η}{}^{+}\right)}{Κ{}_{2}}+r{}_{\text{C}\text{Ο}{}_{3}^{2-}}r{}_{\text{Η}{}^{+}}^{2}\frac{\left(\text{Η}{}^{+}\right){}^{2}}{Κ{}_{1}Κ{}_{2}}\right){}^{-1}×100%\end{array}$

《2.2 石灰岩地层地下水的a0, a1, a2值》

2.2 石灰岩地层地下水的a0, a1, a2值

$2\left(\text{C}\text{a}{}^{2+}\right)=\left(\text{Η}\text{C}\text{Ο}{}_{3}^{-}\right)\text{ }\text{ }\text{ }\left(1\right)$

$\begin{array}{l}\left(\text{C}\text{a}{}^{2+}\right)=\frac{1}{r{}_{\text{C}\text{a}{}^{2+}}}\left(\frac{r{}_{\text{C}\text{a}{}^{2+}}^{2}Κ{}_{1}Κ{}_{\text{C}}Κ{}_{\text{C}\text{Ο}{}_{2}}}{4r{}_{\text{Η}\text{C}\text{Ο}{}_{3}^{-}}^{2}Κ{}_{2}}\right){}^{1/3}10{}^{f{}_{1}/3}\\ \left(\text{Η}{}_{2}\text{C}\text{Ο}{}_{3}\right)=Κ{}_{\text{C}\text{Ο}{}_{2}}Ρ{}_{\text{C}\text{Ο}{}_{2}}\\ \left(\text{Η}\text{C}\text{Ο}{}_{3}^{-}\right)=\frac{1}{r{}_{\text{Η}\text{C}\text{Ο}{}_{3}^{-}}}\left(\frac{2r{}_{\text{Η}\text{C}\text{Ο}{}_{3}^{-}}Κ{}_{1}Κ{}_{\text{C}}Κ{}_{\text{C}\text{Ο}{}_{2}}}{r{}_{\text{C}\text{a}{}^{2+}}Κ{}_{2}}\right){}^{1/3}10{}^{f{}_{1}/3}\\ \left(\text{C}\text{Ο}{}_{3}^{2-}\right)=\frac{1}{r{}_{\text{C}\text{Ο}{}_{3}^{2-}}}\left(\frac{4r{}_{\text{Η}\text{C}\text{Ο}{}_{3}^{-}}^{2}Κ{}_{1}Κ{}_{\text{C}}^{2}}{r{}_{Ca{}^{2+}}^{2}Κ{}_{1}Κ{}_{\text{C}\text{Ο}{}_{2}}}\right){}^{1/3}10{}^{f{}_{1}/3}\end{array}$

$f{}_{1}=\mathrm{lg}Ρ{}_{\text{C}\text{Ο}{}_{2}}=-\frac{3}{2}\left(\text{p}\text{Η}+\frac{1}{3}\mathrm{lg}\left(\frac{r{}_{\text{C}\text{a}{}^{2+}}Κ{}_{1}^{2}Κ{}_{2}Κ{}_{\text{C}\text{Ο}{}_{2}}^{2}}{2r{}_{\text{Η}\text{C}\text{Ο}{}_{3}^{-}}Κ{}_{\text{C}}}\right)\right)$

《2.3 白云岩地层地下水的a0, a1, a2值》

2.3 白云岩地层地下水的a0, a1, a2值

$2\left(\text{C}\text{a}{}^{2+}\right)+2\left(\text{Μ}\text{g}{}^{2+}\right)=\left(\text{Η}\text{C}\text{Ο}{}_{3}^{-}\right)\text{ }\text{ }\text{ }\left(2\right)$

$\begin{array}{l}\left(\text{C}\text{a}{}^{2+}\right)\phantom{\rule{0.25em}{0ex}}=\left(\frac{r{}_{\text{C}\text{a}{}^{2+}}^{2}r{}_{\text{Μ}\text{g}{}^{2+}}^{2}Κ{}_{1}Κ{}_{\text{C}}^{5}Κ{}_{\text{C}\text{Ο}{}_{2}}}{4Κ{}_{2}\left(r{}_{\text{Μ}\text{g}{}^{2+}}Κ{}_{\text{C}}^{2}+r{}_{\text{C}\text{a}{}^{2+}}Κ{}_{\text{d}}\right){}^{2}r{}_{\text{Η}\text{C}\text{Ο}{}_{3}^{-}}^{2}}10{}^{f{}_{2}}\right){}^{1/3}\\ \left(\text{Μ}\text{g}{}^{2+}\right)\phantom{\rule{0.25em}{0ex}}=\left(\frac{r{}_{\text{C}\text{a}{}^{2+}}^{2}r{}_{\text{Μ}\text{g}{}^{2+}}^{2}Κ{}_{1}Κ{}_{\text{d}}^{3}Κ{}_{\text{C}\text{Ο}{}_{2}}}{4Κ{}_{2}Κ{}_{\text{C}}\left(r{}_{\text{Μ}\text{g}{}^{2+}}Κ{}_{\text{C}}^{2}+r{}_{\text{C}\text{a}{}^{2+}}Κ{}_{\text{d}}\right){}^{2}r{}_{\text{Η}\text{C}\text{Ο}{}_{3}^{-}}^{2}}10{}^{f{}_{2}}\right){}^{1/3}\\ \left(\text{Η}{}_{2}\text{C}\text{Ο}{}_{3}\right)=Κ{}_{\text{C}\text{Ο}{}_{2}}10{}^{f{}_{2}}\\ \left(\text{Η}\text{C}\text{Ο}{}_{3}^{-}\right)\phantom{\rule{0.25em}{0ex}}=\left(\frac{2r{}_{\text{Η}\text{C}\text{Ο}{}_{3}^{-}}^{2}\left(r{}_{\text{Μ}\text{g}{}^{2+}}Κ{}_{\text{C}}^{2}+r{}_{\text{C}\text{a}{}^{2+}}Κ{}_{\text{d}}\right)Κ{}_{1}Κ{}_{\text{C}\text{Ο}{}_{2}}}{r{}_{\text{C}\text{a}{}^{2+}}r{}_{\text{Μ}\text{g}{}^{2+}}Κ{}_{2}Κ{}_{\text{C}}}10{}^{f{}_{2}}\right){}^{1/3}\\ \left(\text{C}\text{Ο}{}_{3}^{2-}\right)\phantom{\rule{0.25em}{0ex}}=\left(\frac{4r{}_{\text{Η}\text{C}\text{Ο}{}_{3}^{-}}^{2}\left(r{}_{\text{Μ}\text{g}{}^{2+}}Κ{}_{\text{C}}^{2}+r{}_{\text{C}\text{a}{}^{2+}}Κ{}_{\text{d}}\right){}^{2}Κ{}_{2}}{r{}_{\text{C}\text{a}{}^{2+}}r{}_{\text{Μ}\text{g}{}^{2+}}Κ{}_{1}Κ{}_{\text{C}}^{2}Κ{}_{\text{C}\text{Ο}{}_{2}}}10{}^{-f{}_{2}}\right){}^{1/3}\end{array}$

$f{}_{2}=\mathrm{lg}Ρ{}_{\text{C}\text{Ο}{}_{2}}=-\frac{1}{2}\mathrm{lg}\frac{r{}_{\text{C}\text{a}{}^{2+}}r{}_{\text{Μ}\text{g}{}^{2+}}Κ{}_{1}^{2}Κ{}_{2}Κ{}_{\text{C}}Κ{}_{\text{C}\text{Ο}{}_{2}}^{2}}{2r{}_{\text{Η}\text{C}\text{Ο}{}_{3}^{-}}\left(r{}_{\text{Μ}\text{g}{}^{2+}}Κ{}_{\text{C}}^{2}+r{}_{\text{C}\text{a}{}^{2+}}Κ{}_{\text{d}}\right)}-$

$\frac{3}{2}\text{p}\text{Η}$

《3 考虑活度的纯水碳酸平衡检查》

3 考虑活度的纯水碳酸平衡检查

《3.1标准状态 (25℃, PCO2=1×105Pa) 下碳酸平衡检查》

3.1标准状态 (25℃, PCO2=1×105Pa) 下碳酸平衡检查

《图1》

《3.2开放系统不同温度和压力下地下水的碳酸平衡检查》

3.2开放系统不同温度和压力下地下水的碳酸平衡检查

1) 在一定CO2分压下, pH0值均随温度的升高而降低并趋于一个稳定的值。在1, 10, 102, 103, 104, 105 Pa分压下pH0值分别趋于稳定值8.31, 8.30, 8.27, 8.21, 8.08和7.92;

2) CO2分压越大, 相邻两pH0变化曲线的间距越大, 反之则越小。反映了CO2分压对碳酸平衡的影响。

3) 在一定温度下, pH0值随CO2分压的升高而降低。

4) 在温度为0℃时, 不管CO2分压大小如何,

《图2》

pH0=8.60, 随温度的升高, pH0值降低, 最低值为7.92。因此不论地下水的温度和CO2分压如何变化, pH0=7.92~ 8.60。

《4 碳酸盐岩地区地下水碳酸平衡检查》

4 碳酸盐岩地区地下水碳酸平衡检查

f1, f2两式看出, 地下水的pH值与CO2分压存在定量关系, 因此可以从pH值或CO2分压两个方面作出检查。

《4.1 标准状态 (25℃) 的碳酸平衡检查》

4.1 标准状态 (25℃) 的碳酸平衡检查

《图3》

《4.2开放系统不同温度、CO2分压下的碳酸平衡检查》

4.2开放系统不同温度、CO2分压下的碳酸平衡检查

《5 结论》

5 结论

1) 在任意状态下碳酸三种存在形式均服从酸性水中H2CO3占优势, 碱性水中CO2-3占优势, 弱酸、弱碱及中性水中HCO-3占优势的规律, 但HCO-3出现峰值的分界pH0值是随地下水中CO2分压和温度变化的, 纯水在CO2分压1~105 Pa, 温度0~30℃时的变化范围为7.92~8.60, 碳酸盐岩地下水的变化范围为8.28~8.57。

2) 纯水在一定CO2分压下, pH0值随温度的升高而降低并趋于一个稳定的值。在一定温度

《图4》

3) 因白云石的溶解度相对方解石小得多, 石灰岩和白云岩的pH0及CO2分压的分界值十分接近, 碳酸盐岩地区的平衡特性将取决于方解石成分。

4) 地下水运动和水岩相互作用是十分复杂的, 在非碳酸盐岩地区地下水及水流流经不同岩石时的碳酸平衡规律有待进一步研究。