地球化学及地下水系统

1、地球化学和地下水系统（一）发表日期：2005年8月21日美PierreD.Glynn等在过去的50年间，地球化学对了解地下水系统方面做出了重要的贡献。水化学相的概念、平衡理论、对氧化还原过程的研究和放射性碳测定年龄的方法等方面取得了极大的进步。另一些水文化学的概念、工具和技术也有助于了解地下水系统的流动和运移机制，揭示一些古环境信息。根据水文化学和同位素技术，可以解释地下水补给、地下水流动和化学反应过程，提供古水文信息并对地下水流动模型进行校正。关于获得具有代表性样品、解释获得信息和采用水文化学数据建立和解释数值模型方面需要进行改进。保证野外资料和分析、解释、应用的最佳迭代方法是统计模拟方法。

2、希望在微生物、天然有机物特征、同位素“指纹”识别和溶解气体测试、反应动力学和耦合过程方面进行深入研究。热力学方法有助于比较和了解影响地下水系统的多种物理、化学和生物过程。、概述过去的50年间，随着地球化学方法的进步，对地下水系统的水文化学过程了解逐步加深，而且对影响地下水系统流动和化学特征的构造、地质、矿物和水文特征的了解也逐步加深。通过实验室实验和动力学机制研究，提供了重要的反应过程信息；随着分析技术的进步，测试小体积样品中低浓度的化学/同位素物质成为可能；另外，随着计算机技术的发展，可以通过数值模拟来解释复杂的地下水流动/反应系统。根据潜流带的水文地球化学数据和模拟模型解释地下水地球化学过

3、程的文献很多。地球化学家分析了含水层中的氧化还原反应和局部均衡的概念，化学演化过程是一个或多个不可逆反应的结果。在系统的演化过程中，碳酸盐、硅酸盐、粘土、硫化物、离子交换和有机碳反应起着重要作用。地下水地球化学方面的专家也指出了重要的环境问题，如砷污染、营养元素和微量元素的转化、矿山酸性排水源和地下的微生物作用等，会影响反应速度、氧化还原过程、淡水含水层的存贮和恢复。本文主要讨论了水文化学的主要研究领域，如：（1）从地下水系统中获取具有代表性的信息；（2）采用地下水示踪剂研究地下水流动和反应过程；（3）判断地下水的年代；（4）对地球化学过程进行数值模拟。地下水地球化学领域涉及的内容非常广泛，如

4、污染物的水文地质、热力学数据评价、实验和理论反应动力学、吸附过程、天然有机地球化学和微生物作用。二、水化学相的概念沿地下水流动通道的地球化学反应会造成沿流动方向的区域水化学成分变化。水成分图中的溶解组分的浓度等值线沿地下水流动方向呈正态分布。Back（1960,1966）给出了水化学相的定义，指出在分析水文地质和矿物成分相对均匀的含水层时，需要分析地球化学过程。需要根据浓度、惰性元素或示踪剂对进入地下水系统的水源进行分类。惰性示踪剂沿地下水补给区的浓度随空间变化有所不同，通过含水层的示踪剂流动方向也正是地下水流向，此时，水文化学相（有时也称水文化学区）与流向平行。在一般情况下，反应物的浓度沿补

5、给区随时间和空间的变化有所不同，可能总体上也是沿地下水流向演化。通过地球化学特征获取地下水流动和水文地质信息，需要了解含水层物质的水相反应，以及补给成分的时空分布。地下水系统的许多地球化学模型也与反应物质的不同或水文地质性质的不同有关。通过绘制水文化学相（区）图可以得到区域含水层的流动模式，据此可以确定地下水流动方向。根据水文化学模式和根据电位计获得的区域流向差异，说明了水力条件的差异（如补给率）。三、热力学平衡（一）热力学平衡原理和模型在上世纪60年代初，地球化学家采用天然地下水中的物种进行了热动力学平衡的基础研究，主要问题是矿物一水平衡在何种程度会控制天然地下水的化学成分？首次将离子模型应

6、用于天然水中，之后逐渐将这些模型应用于复杂的多组分系统中，包括地下水系统，并建立了一些数值模型，包括反应途径模型和WATEQ物种形成代码模型。另外，关于电解液相互作用模型的理论得到发展，并将这一模型应用于天然水和一些含盐量较高的天然水中。通过热力学数据和对一些反应过程的了解（吸附、固溶体、非均相反应动力学、有机反应等），水溶液与其它固体、气体和液体相互作用的数值模型逐渐得到改进。在温度较低的地下水环境中应用物种形成模型，具有重要的作用。假定在水溶液中发生反应过程中，物质处于同一氧化状态（CO2/HCO3-/CO32-；SO42-/HSO4-），则可以迅速达到平衡；相反，如果氧化态不同（如SO4

7、2-/HS-；HCO3-/CH4；Fe（II）/Fe（III）,则不易达到平衡。少数物质，通常溶解性相对较强（如方解石、石膏、岩盐和萤石），在天然系统会发生可逆反应；其它大多数物质（斜长石、黑云母和其它硅酸盐）的反应不会达到平衡，但是对天然水化学成分仍起着重要作用。亚稳态物质比其稳定态多形体更易达到平衡，如无定型氢氧化铁和赤铁矿。一些硅酸盐的风化产物（如高岭石和三水铝石），反应可以达到平衡，但是动力学过程对于复杂硅酸盐粘土矿（如蒙脱石）的形成非常重要。可以将热力学平衡定义为液相和固相之间的反应稳定状态（微观可逆性）。随着观测矿物表面能力的提高，在实验室可以分析界面反应。早期的研究表明，地下水系

8、统是一个部分均衡的系统，也就是说，一些可逆反应会影响另一些可逆反应（如有机碳氧化造成硫还原和/或碳酸盐矿反应；沸石反应会造成脱白云石化作用；硅酸盐溶解会造成含方解石和硅土的粘土形成）。这些反应不仅对了解地下水系统的地球化学演化过程起着极为重要的作用，而且也会影响含水层系统的水文地质特征。对于给定的矿物相，根据物种形成计算，一些天然水可能处于平衡态或接近平衡态，实际上由于其它可逆反应的影响，矿物质可能处于溶解/沉淀过程。（二）反应动力学和反应表面积关于矿物动力学有许多工作要做，实验室研究结果并不能完全应用于野外环境，特别是当矿物一水反应接近平衡时，即使浓度极低的溶解性有机物、痕量元素和微生物都可

9、以完全改变反应速率。根据野外实验确定水岩反应速率，可以将地下水测年和根据地球化学物料平衡确定矿物转化联系起来。然而，由于难以确定含水层的反应表面积，因此也难以确定反应速度。通过取可以表征矿物特征的样品、或含水层的物质、或石灰岩裂隙带物质、或河流中的物质，以及测量随时间变化的反应收益/损耗，可以就地确定反应速度。尽管在将就地实验结果与观测的野外实际速度联系起来时，存在一定问题，但是这一方法仍具有很重要的意义。在未受扰动的含水层中确定有效的比表面积仍是一个难题。在裂隙岩系统中，根据适当的地球化学技术可以获得每单位缓慢流动水接触的岩石表面积，这样有助于评价污染物吸附和基质弥散。另一种技术是测试接触岩

10、中生命期较长的母体核素（如238U）衰变产生的短期的、惰性的放射性同位素（如222Rn）（Andrews等，1986,1989；Glynn和Voss，1999）。（三）固体溶解和吸附作用尽管在将矿物质作为纯固体相的模拟反应已经获得很大的成功，但是大多数矿物质含有影响其溶解和行为的可变组分。如果组成固定（作为亚稳态），有时这些“不纯的”相（固体一溶液）会起反应；然而，对于大多数可溶相，“不纯的”固体会再结晶，会调节与接触水组分变化相关的组成。Thorstenson和Plummer（1977），Lippmann（1977,1980），Glynn和Reardon（1990,1992），Glynn等（

11、1990,1992），Gamsjager等（2000）和Prieto等（2000）关于这一研究领域提供了许多信息资料。固体一溶液理论目前应用于核废料处置问题（主要是与亚稳态复杂的放射性核相的稳定性和水泥的性质有关），有时也有助于了解天然水化学特征（如南卡罗莱纳州BlackCreek含水层中的氟，Konikow和Glynn，2005）。随着对天然水中示踪元素行为的了解增加，相对复杂的非均相反应理论（固体一溶液、离子交换和表面络合）应用范围会更广，但是也需要深入研究。Davis和Kent（1990），Appelo和Postma（1993）对一些常见的吸附和离子交换理论进行了回顾。（四）氧化还原作用

12、认识到地下水系统中大多数不可逆反应通常都伴随着氧化态的变化，这一点是非常重要的，而早期的水相物种形成模型没有考虑不同的氧化还原态。Krumbein和Garrels（1952）、Baas-Bedking等（I960）,Garrels和Ghrist（1965）和Sillen（1967）认识到，可以根据pH值和氧化还原电位来确定天然水环境中的主要的水相物种形成、矿物反应和稳定性。Thorstenson（1984）和Hostettler（1984）提出了氧化还原态的概念及其在地球化学中的应用。通过对天然水中不同氧化还原对的研究，证明了天然系统中的大多数氧化反应都不是平衡的，充分说明了很难确定天然水中的

13、氧化还原态（Morris和Stumm，1967；Thorstenson等，1979；Bunnells和Lindberg，1990；Stumm和Morgan，1986）。另一些学者对天然环境中不同的氧化还原进行了研究（Baedecker和Back，1979；Champ等，1979；Berner，1981；Stumm和Morgan，1996）。PATHI代码是模拟氧化还原反应的最初代码（最初是根据SO42-/S2-的作用率）。这一方法要求很高，需要确定含氧环境中S2-的活动性，因此这一方法效率较低，会造成数值离散。D.C.Thorstenson提出了简单的电子守恒原则，使得地球化学反应模型从相对简

14、单的无机水岩相互作用，发展到复杂的氧化还原系统中。PHREEQE（Parkhurst等，1980）、BALANCE（Parkhurst等，1982）和NETPATH（Plummer等，1994）采用了这一原则。在NETPATH中也用到了这一原则，但是随着计算机技术的发展，在EQ3/6（Wolery，1979；Wolery等，1990）、PHREEQCT和PHREEQCI（Parkhurst，1995；Parkhurst和Appelo，1999；Charlton等，1997；Charlton和Parkhurst，2002）中，逐渐采用O和H物料平衡联系取代了这一原则。将热力学平衡理论应用于氧化还

15、原系统或其它反应过程中，可以提供评价从平衡态的离散、计算氧化还原反应顺序和确定生命系统或非生命系统中化学物质和同位素变化时的参比状态。四、地下水流动和反应过程中的地球化学示踪剂在确定地下水系统的补给源和流动过程时，水化学和同位素资料非常有益。根据化学和同位素组成差异，可以确定地表水入渗、含水层间的渗漏、海水入侵的范围、通过深饱和带的补给率。采用阳离子一阴离子联系确定溶解物的起源和在地下水系统的运移（Bodine和Jones，1986，1990；Jones和Llamas，1989；Jones等，1994；Kauffman等，1998）。环境示踪剂，如温度、2h、】80、14C、3H、3H/3He

16、和溶解性气体有助于对确定补给和流动时间、解释起源和模拟含水层补给的方法进行改进，对校正地下水流动模型和确定古生水，即不可更新资源提供了时间和空间信息。在具有代表性固相和矿物中获取的同位素和微量元素信息，也有助于了解古水文地质条件（如Winograd等，1992,1997；Coplen等，1994；Plummer等，1990；Wallin和Peterman,1999；Glynn和Voss,1999）。在评价地下水资源的脆弱性和可持续性时，环境示踪剂具有很大的潜力。可以采用多种示踪剂测试方法，只是不清楚哪种测试法有助于解释含水层中的流动和反应过程，哪些测试方法重复。通常采用多种示踪剂的测试法，但是

17、最终会受可利用资源的限制，对地质、矿物学和水文地质学的认识是选择合适对策的关键。40年前，测试2H和180或3H和14C非常困难；而现在可以方便地测试地下水中的溶解性气体、微量元素、稳定同位素如Sr、Ca、S、B、N、C、Li、Cl、Fe、U、Th和惰性气体。同位素测量也可以提供反应过程和溶质起源的信息（Schmidt等，2004；Hunkeler等，1999）。随着测试手段的发展，研究水岩相互作用、混合化学和同位素源和其它物理或化学过程也更为复杂。惰性示踪剂可以直接提供地下水起源、流向和滞留时间（如温度、水的稳定性同位素、惰性气体、3H+3He）的信息。反应示踪剂（例如，同位素组成：13C、

18、34S、87Sr/86Sr、15N；溶解性组分：N2、CH4和其它示踪元素）可以提供地球化学过程、地下水环境、补给源和水年代方面的信息。Kendall和McDonnell（1998），Clark和Fritz（1997），Cook和Herczeg（2000）对水文地质中的同位素示踪剂的用途进行了总结。五、地下水的运移时间为了监测低浓度的化学物质和同位素示踪剂，需要确定地下水的年代。已经证明地下水测年是确定补给率、校正流动模型和评价地下水开采可持续发展的有效手段。地下水测年也用于确定含水层的地球化学和微生物作用，根据污染潜力对水文地质环境进行分类，确定污染地下水系统的修复时间。地下水的年龄是指补给

19、区和取样之间的运行时间。通过分析水同位素确定水的年代是一种比较理想的方法，但是通常都是采用保守性示踪剂。采用多种示踪剂来确定地下水年代最具代表性，这是因为一些技术、水流和运移过程存在不确定性，难以获得具有代表性的资料。一些文章对地球化学测年技术的优点和不足进行了说明（Davis和Bentley，1982；Cook和Solomon，1997；Kipfer等，2002）。可以采用两种不同的方法来确定地下水的年代。第一种方法是测量初始浓度已知的某种元素或同位素的浓度。第二种方法是根据水中与时间有关的环境“信号”和/或补给地下水系统的溶质等历史资料来确定地下水的年龄。（二）信号只有水文地质过程影响信号

20、的分布和浓度变化时，才可以确定地下水年龄和流速。地下水测年的信号方法包括2H和180的变化（Maloszewski等，1983；Vitvar和Balderer，1997；Rozanski等，1993）和惰性溶解性气体浓度如N2、Ne、Ar、Kr和Xe的变化（Mazor，1972；Stute等，1992；Stute和Schlosser，1999）。惰性溶解性气体（如Kipfer等，2002）可以提供关于补给温度、补给高度和在补给过程中截获的空气量等有用信息（Aeschbach-Hertig等，2000；Manning和Solomon，2003）。2H18O和惰性溶解性气体的变化可以与长时间范围（

21、如小冰期）和短时间范围（如季节性温度变化）联系起来。对离散的循环信号进行研究，如2H、18O和惰性溶解性气体的变化，可以促进取样技术和分析技术的发展。Stute和Schlosser（1993）根据14C测年法，成功地确定了在200035000年的范围内，世界上几个含水层的补给温度同步变化。对于年代相对较近的地下水，特别是那些在过去50年接受补给的地下水，可以采用许多人为信息：（1）与使用表面活性剂（ABS或LAS）、杀虫剂和除草剂历史相关的化学信号（Plummer等，1993）；（2）来自上世纪60年代大气核测试（如3H和36Cl，Rozanski等，1991；Phillips等，1988；S

22、canlon等，2002）、核电站燃料棒再生（85Kr）或乌克兰切尔诺贝利事件（如106Ru、60Co和137C，Ittner等，1991）的放射性核信号；（3）由于冷藏（含氯氟烃，Plummer和Busenberg，2000）和电气开关上采用惰性气体覆层（如SF6，Maiss和Brenninkmeijer，1998；Busenberg和Plummer，2000）释放到大气中的示踪剂。通常假定弥散和扩散对于可确定时间的信号影响不大，但是，在多层含水层和承压含水层中解释示踪气体和信号时，需要根据系统的水文地质特征对这一假定进行充分论证（Davidson和Airey，1982；Goode，1996

23、；Sanford，1997；Weissmann等，2002）。另外，根据信号来测试地下水流速和地下水年龄时，需要假定在信号通过地下水流动系统时，主要流向不会发生明显改变，或需要了解流动场变化的历史资料。这些资料通常都难以获得，特别是对于较长的时间范围，但是即使是对于较近的时间范围，由于对地下水资源的需求量增加，也造成了测压面的不断变化。（三）年龄模型除了纯粹的单向流动（管流），在确定地下水年龄时通常需要通过模型解释，将所测的示踪剂浓度与地下水排泄区的年龄组成和含水层的平均年龄（保留时间）联系起来。对于许多系统而言，都不太清楚建立地下水流动模型的水文地质条件，因此数年来水文地质学家都是通过集总参

24、数模型来解释地下水排泄区的示踪资料。集总参数“箱”模型（如指数、线性、线性一指数）将排泄区获得的示踪剂浓度与地下水平均保留时间联系起来，有很多文献都是关于这一方法的研究（Eriksson,1958；Vogel,1967；Brugman等，1987；Cook和Bohlke，2000），而且一些软件包比较有用（Maloszewski和Zuber，1996；Zoellmann等，2001；Bayari,2002；IAEA，2005）。在考虑多种集总参数模型时，通常不可能仅根据单一的示踪剂测量结果。在环境示踪剂资料有限时，通常是根据可利用的地质和其它技术资料来选择模型（Maloszewski和Zube

25、r，1996），根据选择的模型来确定平均停留时间。在报导地下水年龄时，需要根据模型对年龄进行定量。如果有足够的水文地质资料可以利用，比采用箱式模型更可取的方法是建立整个地下水系统的流动模型，采用地球化学示踪测量技术和观测水头来进行校正（如Reilly等，1994；Sheets等，1998；Zoellmann等，2001；Sanford等，2004）。通常是根据流动模型来确定地下水的年龄信息（运行时间）（Szabo等，1996），其优点是考虑到了水力弥散对年龄的影响，而且与所测的环境示踪剂资料相联系起来，从而可以对模型和年龄模拟进行改进（Goode，1996；Engesgaard和Molson，

26、1998；Varni和Carrera，1998；Bethke和Johnson，2002；Weissmann等，2002)上一篇：北美洲水文地质学的未来下一篇：地球化学和地下水系统（二）相关专题：热门文章：河南云台山世界地质公园37228相关文章：科技情报第十三期中国地质遗迹（地质公园）保32176没有相关文章科技情报第十三期湖南省地质环境监测总站（湖30345第一届世界地质公园大会章程26295地球化学和地下水系统（二）发表日期：2005年8月21日七、地球化学过程的数值模拟在过去的35年，解释地球化学过程的软件系统得到了稳定发展。随着与离子相关的模型发展，地球化学家开始定量解释地下水系统的化

27、学演化过程。定量评价地球化学演化过程的模型朝着两个方向发展，分别为“反演地球化学模型”和“正演地球化学模型”。前者是将地球化学物质平衡应用于地下水的化学和同位素组成中，从而来评价矿物含量和水岩系统中的气体转化；后者根据给定的初始条件、假设反应和综合热力学数据库来模拟假设反应的结果（如PATHI；PHREEQE和PHREEQCI等）。（）反演模型反演模型用来解释天然（或污染）地下水中观测的化学和同位素演化结果，而非预测将来的组成变化。反演模型中所需的资料是“起始”地下水和“最终”地下水中的化学成分，而无需考虑水流通道，而且也不要求是化学或水文地质稳定态。反演模型对专业知识和经验要求较高。反演模型

28、代码通常比较复杂，但是可以进行改进。PHREEQC和PHREEQCI代码可以分析初始和最终溶液的组分（化学和同位素组分）；NETPATH采用反演模型对根据14C测得的地下水年龄进行校正。例如，需要对与有机碳氧化、碳酸盐矿物的沉淀/溶解以及其它直接或间接影响地下水中14C活动的各种影响进行校正。反演模型有助于用户确定需要哪些额外的资料来确定特定系统的地下水演化过程。例如，有时没有任何模型可以完成这一工作，这说明所选择的地下水并非发展演化的，其中没有发生适当的反应，或存在许多约束条件。（二）正演模型近年来，正演模型得到一定发展，可以模拟地下水流动、溶质水平对流和弥散，以及一些复杂的地球化学过程。最

29、近，将同位素反应与地球化学质量传递代码（特别是PHREEQCI和PHAST）相结合起来，可以同时描述地下水系统的同位素演化和化学物质演化。在正演模型代码的过程中，要求根据精确的测量，使热力学数据库具有一致性。热力学一致性是指：（1）数据与基本热力学关系一致；（2）温度、原子质量和基本物理常数一致；（3）选择类似物质的标准态；（4）针对不同的数据库选择同样的数值和化学模型。热力学数据库一般很少涉及有机物，即使这些有机物在地下水中起主要作用。过去的几十年间，进行了许多关于数值模拟地下水流动、溶质运移和地球化学过程的工作。地球化学过程通过影响含水层的孔隙度和渗透性，进而会影响溶质运移和地下水流动；而

30、地下水流动也会影响地球化学过程的变化速度。地球化学质量传递代码（如MST1D、PHREEQC/PHREEQCI和PHAST）将所有的限制和不确定性与（1）地球化学反应代码和（2）不反应溶质运移代码相结合起来。地球化学运移代码通常具有一些数值问题，如数值摆动和数值离散。与其它代码相似，地球化学运移代码可以提高概念理解，以及获得控制天然地下水和污染地下水化学演化的因素。地下水系统的地球化学模型所需要的另一些信息是历史发展情况、目标和当前的运行状态。（三）地球化学模型的应用实例Glynn和Brown（1996）对在美国亚利桑寻州PinaCreek流域，采用地球化学模型研究受污染地下水系统的动态变化的

31、假定和限制，进行了评论。采用反演模型来确定反应过程，建立一维反应运移模型，在模拟过程中，将pH值和氧化还原电位作为地球化学反应、矿物浓度和纵向扩散的函数。采用敏感性分析来强调、评价和优先考虑不确定性，进而建立污染物运移模型。对敏感性分析、野外研究和实验室柱实验进行比较，可以预测PinaCreek的pH值较低，Fe（II）浓度较高。根据溶质运移代码来评价核废料处理场地的性能，并模拟不同场地的污染物迁移转化。在大多数情况下，采用高度简化的单种物质运移模型，在这些运移模型中，假定根据一个参数线性吸附模型（常数Kd模型）或两个参数模型来描述与保守示踪剂有关的反应溶质延迟。这些模型忽略了竞争吸附、络合反

32、应、pH值、氧化还原电位、沉淀和溶解以及其它一些地球化学反应的影响。在美国俄克拉荷马州的中部含水层，根据地球化学模型成功地分析了控制溶解砷浓度的因素，以及地下水的地球化学演化过程（Parkhurst等，1992；Konikow和Glynn，2005）。采用美国地质调查局的代码PHAST，对反演模型和正演模型包括3D地球化学运行模型进行了研究。根据东部非承压含水层的区域补给和在边界河流的排泄，Parkhurst采用地球化学运移模型模拟了地下水流动和溶质运移过程，在这一模型中，也考虑了离子交换反应、方解石和白云石溶解、与pH值有关的表面络合反应对水中砷浓度的影响。采用PHAST代码可以分析俄克拉荷

33、马州中部含水层影响地下水流动、溶质运移和地球化学演化的各种因素。建立的模型与水文地质和地球化学观测结果相匹配，而且可以解释含水层西部砷浓度高的现象。（四）研究地下水地球化学和流动系统的其它数学工具在水文化学中通常会应用统计学原理，特别是针对假设检验。因素分析、聚类分析和主要成分分析是了解地下水系统地球化学性质的主要手段。理论上，这些方法除了可以无偏地描述取样分布和组分分布情况，还可以对于给定观测结果进行统计分析。在采用主要成分分析时，根据溶液中不同的惰性和反应元素/同位素来评价各成分的混合程度，而忽略了造成某些元素/同位素沉淀或溶解的反应。统计模型有助于了解地下水地球化学和流动，但是有可能会误

34、用（特别是当结果与基本地球化学和水文地质资料不符时）。八、地球化学研究和模拟建立地球化学模型的主要价值，是用户可以将所有可利用的数据置于概念框架中，之后根据直觉和经验来对系统进行进一步研究。在地下水系统地球化学模型中，观察资料包括水文地质、化学、同位素和矿物学资料，另外，反应热力学和动力学、矿物形成、地质和水文地质知识也非常重要。建立模型时应当：（1）可以充分了解影响地下水演化的化学和同位素反应；（2）有助于加深对水文地质系统的了解；（3）有助于评价概念框架的不确定性。初始时应当建立简单的模型，随着模型的改进，逐渐考虑一些复杂的过程。用户应当针对具有代表性的参数、过程以及特定的目的来选择模型。

35、正演模型不能预测地球化学变化结果；而反演模型则会考虑多种反应物和产物以及反应过程。实际上几乎所有的模型，如反演地球化学模型或反演流动模型，最初都应当设计为解释可利用的资料。反演地球化学模型要求用户对知识的不足程度和不确定性进行评价，因此多用于资料获取过程中。在野外资料的获取过程中常用到反演模型，而且这一模型也有助于建立正演地球化学模型。根据针对的特定问题，需要对反演地球化学模型进行特定研究。在应用正演数值模型时，不同的学者和工程师持有不同的观点。一些学者认为建立数值模型尽管非常复杂，但是现实可行的，而且可以根据建立的数值模型来预测系统的将来发展情况；一些学者认为可以通过简化的方式来建立数值模型

36、，仅将模型作为了解系统行为的工具，采用敏感性分析（根据不同参数、边界和初始条件建立的复合模型）来定量地了解过程的相互作用。目前主要是将模型作为了解系统的工具，而并非进行预测。关于地下水系统的地球化学和水文地质资料一般都较少，获取这方面的详细资料成本一般都比较高（特别是大的含水层）。化学和水文地质资料的不足，意味着研究者需要充分利用已有的知识和工具。将地下水流动和运移的正演模型和反演模型相结合，有助于利用最重要的资料来更好地了解地下水系统。总之，应当将模型（水文地质/地球化学，反演/正演）作为连续反复循环圈的一部分，进行资料的获取，对获取的资料进行解释以及综合了解地下水系统等。九、地下水系统中地

37、球化学研究的发展方向本文回顾了地球化学研究领域，特别是了解地下水系统的历史发展以及目前的技术和方法，为了进一步了解地下水系统，将来的研究领域主要包括以下方面：1.代表性取样（如水、含水层/隔水层物质、胶体、细菌和非饱和带气体）技术以及获取地质、水文地质和地球化学信息的地球物理技术的发展；2溶解性惰性气体同位素（如85Kr，t1/2=10.76年;39Ar,=269年;81Kr，t1/2=229000年）的采样和测试技术的发展。目前的技术要求采集大体积的样品，分析方法复杂耗时，在实际应用过程中受到严格的限制。地下水测年技术需要进行更好的改进；3.对均质和非均质反应动力学、抑制和/或催化过程、有效表面积的测量和地下水反应系统反应速度的预测进行研究；4对细菌活动的多样性、种群组成、生物膜、微生物一矿物质相互作用、微生物运移进行研究。微生物证据包括DNA、RNA、特殊蛋白质和/或脂质提取等；研究影响胶体运移、形成和衰变的过程。研究这些过程对于研究水质问题非常重要，如：堤岸的过滤效率、含水层贮水和恢复的可能性、核废料处置和其它污染物运移过程；研究有机分子的特征，如化学组成和功能特征、反应、稳定和放射性同位素组成（13C、14C、15N等）以及其它测年技术；研究地下水系统中的天然蛋白质、荷尔蒙