靖宇矿泉水形成机理实验研究

发布时间：2018-01-30 20:33

本文关键词： 偏硅酸型矿泉水时空分布实验模拟水岩作用矿物溶解速率形成机理　出处：《吉林大学》2016年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：长白山玄武岩区是继阿尔卑斯山、高加索山之后的世界第三大优质天然饮用矿泉水产地和国内外罕见的天然矿泉水集中分布区,具有分布面积大、流量大而稳定、水质优良的特点,矿泉水开发潜力巨大。研究矿泉水形成机理及其赋存规律对开发及保护矿泉水资源具有重要意义。本次研究共进行了6次野外调查取样工作,分析水样159组,土样21组,岩样44组,取样时间涵盖了丰、枯水期,野外取样代表性良好。分析玄武岩物质组分来源,设计了不同形态及性质的玄武岩、土壤及火山渣水解浸泡实验,取样组数31组;分析偏硅酸型矿泉水的形成过程中,水岩作用反应路径及产生的物质组分变化规律,设计土柱淋滤实验及径流影响模拟实验,取样组数36组;分析偏硅酸矿泉水形成过程中受外界的温度、压强及环境影响,设计高温高压反应釜实验、温度影响实验、CO_2影响实验及p H值影响实验,取样组数35组。1.确定了研究区矿泉水特征组分的时空分布规律及其影响因素。(1)矿泉水水化学组分变化规律一致,矿泉水水化学组分的变化特征与降水量密切相关,地下水补给径流条件较好,交替较快,离子变化较为明显;地下水补给径流条件相对较弱,地下水中离子浓度较为稳定。p H值呈弱碱性,多数离子浓度丰水期含量减小,枯水期含量增大;矿泉水水化学组分空间分布与区域水岩作用有关。(2)影响矿泉水水化学特征变化的因素众多,其中岩石的物质组成及其含量是决定因素,水-岩的反应过程及外界影响因素等决定了水化学指标时空运移过程和含量变化。2.通过室内设计实验的分析数据确定矿泉水物质来源、形成过程及其影响因素,探求靖宇矿泉水形成机理。(1)确定矿泉水物质来源,设计不同形态的玄武岩、土壤及火山渣的水解浸泡实验。实验结果表明不同形态的玄武岩样品偏硅酸释放过程不同,水溶液p H值呈弱碱性,具有规则形状和新鲜面的样品变化趋势相关性更好,含量释放更大;土壤及火山渣浸泡水溶液的p H值达到8.25,偏硅酸释放量始终呈增长趋势,但增长速率较小。(2)确定矿泉水中偏硅酸的形成过程,设计不同反应路径上地下水与土壤、火山渣及玄武岩作用的反应路径柱槽模拟实验。实验结果表明玄武岩及火山渣在不同淋滤速率下,二者淋滤液的p H值和偏硅酸释放量随时间变化趋势一致,p H由碱性趋于中性变化,随流速增大,偏硅酸释放量迅速减小;不同物质的接触面位置的偏硅酸浓度最大,初期腐殖土偏硅酸的释放量大,中期火山渣释放量增大,后期玄武岩释放量最大,偏硅酸含量逐渐累积增大,三者呈现递进变化关系,火山渣的偏硅酸释放速率均大于玄武岩;水槽反应路径模拟实验p H值呈弱碱性,偏硅酸释放量缓慢增加。(3)确定偏硅酸型矿泉水形成过程中受外界环境的影响因素及相关程度,设计水岩作用影响实验。实验结果表明岩石质量越大,偏硅酸释放量越大;岩石接触面积越大,其释放量越大;温度压强促进水岩作用,提高反应速率。水溶液呈弱碱性,在一定限值内,温度越高,玄武岩偏硅酸累计释放量越大,气孔玄武岩的增长速率略大;CO_2气体影响实验表明偏硅酸释放量在酸性水环境中始终保持增大的趋势;酸碱环境影响实验表明水溶液p H值逐渐趋于中性,偏硅酸释放量呈现先增加后稳定释放的规律,酸性条件下偏硅酸的释放速率及释放量均大于碱性条件下的情况,酸性条件下偏硅酸的释放在初期迅速达到释放量最大值后趋于稳定,碱性条件则到中期达到释放量最大值。3.在系列实验的基础上,确定研究区的偏硅酸型矿泉水的物质来源为研究区玄武岩层,利用PHREEQC软件及水-岩体系质量传输模型计算主要的硅酸盐矿物在水文地球演化过程中发生的化学反应,定量研究矿泉水组分形成及演变路径。采用Stanford一阶反应动力学模型模拟不同岩样、CO_2催化及酸碱条件下水岩作用过程,利用Stumm模型建立不同温度的硅酸盐矿物的偏硅酸释放动力学模型符合一级动力学方程,水解反应的偏硅酸释放量的规律一致,确定偏硅酸的释放速率;温度、压强、CO_2气体及酸碱环境等因素均与偏硅酸释放量呈正相关;从实验角度系统的对矿泉水形成机理进行研究,获得的结论对合理开发利用矿泉水资源具有其重要的理论和实际意义。
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【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：P641.5

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