1、现代岩溶学基础 刘子琦 michelle- 绪论 第一篇 普通岩溶学 (16学时 ) 第 1章 地质 、 气候 、 水文 、 植被与岩溶形成 第 2章 岩溶形成与碳 、 水 、 钙循环 第 3章 岩溶形态组合及其形成环境和特征 第 4章 碳酸盐岩洞穴学 第 2章 岩溶形成与碳 、 水 、 钙循环 一 、 全球碳 、 水 、 钙循环概述 二 、 岩溶动力系统运行特征的经验判别 三、岩溶动力系统运行特征的定量判别 (矿物饱和指数的计算 ) 一、全球碳、水、钙循环与岩溶形成 1.岩溶动力系统 (图 1) 定义： 控制岩溶形成演化 、 并常受控于已有岩溶形态的 、在岩石圈 、 水圈 、 大气圈 、 生
2、物圈界面上 ， 以碳 、 水 、钙循环为主的物质 、 能量传输 、 转换系统 。 它是由固相 、液相 、 气相三部分构成的开放系统 。 功能： 驱动岩溶形成 调节环境酸化 驱动元素迁移 、 形成有用矿产 、 影响生命 记录环境变化 特征： 对环境变化反映灵敏 ， 需要特殊的工作方法 。 监测 : 掌握系统 、 界面 、 事件 实验 模型 岩溶动力系统的定义，功能 和特征，要求我们从全球碳、水、钙循环来掌握其运行规律。 2. 全球水循环与岩溶形成 地球上的水的起源和分布 年龄：同地球岩石 38亿年 (据沉积岩石 ) 地球历史 46亿年 (据同期陨石推算 ) 46亿年 38亿年间有无水：不知道 现
3、在地球上的水量： 1408.6 106km3 一、全球碳、水、钙循环与岩溶形成 Reservoir Volume(106km3) Percent of Total Oceans 1370 97.25 Ice caps and glaciers 29 2.05 Deep groundwater 5.3 0.38 (750-4000m) Shallow groundwater 4.2 0.30 (0时，表示溶液中的方解石浓度已超过饱和，可能沉淀方解石；当SIC0时，表示溶液对方解石尚未饱和，可以溶解更多的方解石。 IAP 方解石溶液中各离子的活度积。 Keq 方解石溶解于水的平衡常数，可写成 Kc
4、。 因此，为计算溶液的方解石的饱和指数，首先要计算其 离子活度积 和 平衡常数 。 K e qIA PCSI lo g)1(平衡常数 是化学反应进行程度的 个定量指标，它是质量作用定律表达式中的一个常数。质量作用定律的简单表述为： 在一定温度下，可逆反应达平衡时，生成物浓度的乘幂乘积与反应物浓度的乘幂乘积的比值为一个常数。即平衡常数。 其中，每个物质浓度的乘幂数就是反应式中该物质分子式前的系数。如任何一种可逆反应： qDpCnBmA )2(A、 B为反应物， C、 D为生成物， m、 n、 p、 q为反应式中分子式前的系数。在一定温度下，它们的平衡浓度 A、 B、 C、 D之间都有如下的关系：
5、 K eqBA DC nmqp )3(式中以 表示浓度，是 平衡浓度 ，或称 离子的活度 ，是一种热力学作用的浓度，亦即参加反应的那一部分浓度。 质量作用定律只适用于稀溶液或压力不大的气体。当参加的反应物有液体 H2O及固体物质时，平衡关系式中 不写进 H2O的浓度 及固体物质的浓度。 应当指出 ， 平衡常数是 温度 的函数 ， 它随着化学反应的温度及反应物和生成物在相应温度下的熵和焓而变化 ， 而与反应物或生成物的起始浓度无关 。 因此 ， 不能用公式 (3)来计算平衡常数 ， 而需要用实验的方法或化学热力学公式来计算 。 岩溶地球化学作用是一种地质作用 ， 用实验方法来测定其不同温度下的平
6、衡常数比较困难 。 可根据已有的熵 、 焓和自由能的实验数据 ， 用化学热力学的原理计算 。 根据 Gibbs自由能理论： 式中： Go 自由能 ， R 气体常数 =1.987卡开 克分子 ， T 反应时的温度，以绝对温度 (开 )计。在 25 、 1大气压的标准状态下，自由能和反应物及生成物的焓、熵有以下关系： RTGK eq303.2lo g )5()6( 2 9 82 9 8 STHG Go RTlnKeq=-2.303RTlogKeq (4) 将 (6)式代入 (5)式得： 式中： 其中： Ho298 在 1atm、 25 (即绝对温度 298oK)条件 下的标准焓。 So298 在
7、1atm、 25 条件下的标准熵。 各种反应物和生成物的标准焓、标准熵和自由能均可由物理化学手册查得，代入 (8)、 (9)、 (7)各式即可算出平衡常数。 RTSTHK e q303.2)(lo g 2 9 82 9 8 )7(反应物生成物 )()( 2 9 82 9 82 9 8 HHH)8(反应物生成物 )()( 2 9 82 9 82 9 8 SSS )9(如果要考虑物质的熵随着温度而变化，则不能用其 25 下的标准熵由 (7)式计算平衡常数，而可用 Vant Hoff方程 计算。表 (3)列出用 (7)式求得的方解石在不同温度下的平衡常数，并与实验测定的数值作了一比较。 表 3 方解
8、石在不同温度下的平衡常数 温 度 平衡常数 0 5 10 15 20 25 实验测定 -logKeq 8.340 8.345 8.355 8.370 8.385 8.40 公式计算 -logKeq 8.150 8.192 8.233 8.273 8.311 8.348 在公式 (1)中的离子活度积是 以天然水的化学分析资料为基础求得的 ， 它的计算需要经过 离子浓度 、 离子强度 、离子活度系数 、 离子活度 等步骤，现分述如后： 计算克分子浓度 mi lm o llmgm i /,1 0 0 0)/( 单位原子量 浓度 )10(计算离子活度积 IAP 计算离子强度 I。 先求溶液中所存在的每种离子的浓度乘以其所带电荷的平方的总和，这个总和的一半就是该溶液的离子强度，即 : 式中： mi 第 i种离子的克分子浓度； Zi 第 i种离子的电荷，亦即： iiimZI221 )11(浓度浓度浓度 NaMgCaI 22222 12221浓度浓度 322 11 H COK浓度浓度 ClSO 2422 12 +
