2025年大学《地球物理学》专业题库- 地下水文地球化学与水资源保护

2025年大学《地球物理学》专业题库——地下水文地球化学与水资源保护考试时间：______分钟总分：______分姓名：______一、选择题1.下列哪项不是地下水化学成分的主要来源？A.水文地质条件B.岩石和土壤的矿物成分C.大气降水D.地球物理场的作用2.在地下水系统中，用于区分不同水化学类型常用的指数是？A.阳离子价数指数(CIPW)B.水力坡度C.电阻率D.地震波速3.当地下水从富水性好、渗透性强的含水层流向富水性差、渗透性弱的含水层时，界面处通常会发生？A.水化学成分的显著变化B.温度的升高C.密度的增加D.压力的降低4.水化学类型为HCO₃-Ca·Mg型的水，其主要赋存环境通常是什么？A.深部岩浆岩区B.裂隙发育的变质岩区C.河流侵蚀作用强烈的区域D.碳酸盐岩分布广泛且接受大气降水的区域5.在利用地球物理电阻率法探测地下水时，高电阻率异常通常代表？A.富含水层B.深部高压承压水C.水质污染严重区域D.裂隙发育的岩体6.地下水污染地球化学示踪中，稳定同位素（如δD,δ¹⁸O）主要用来？A.精确计算地下水年龄B.识别污染物的来源C.直接测定地下水化学组分D.判断地下水流向7.地震波速在含水层和含水体中的传播速度通常是？A.两者相同B.含水体速度更快C.含水层速度更快D.含水层速度显著慢于含水体8.电磁法探测地下水时，利用的是电磁场与哪些介质参数的相互作用？A.介质的密度和孔隙度B.介质的电阻率和磁化率C.介质的声波速度和衰减D.介质的放射性强度和热导率9.在地下水污染修复地球物理监测中，通常选用哪些方法来追踪污染羽的迁移路径？A.时间域电磁法(TDEM)B.浅层地震勘探C.放射性探测D.声波探测10.地球物理方法在水源地勘查中的主要目的是？A.直接测定地下水位B.精确计算含水层储量C.确定含水层的分布范围、结构特征和富水性D.直接评价地下水的化学质量二、填空题1.地下水水化学演化过程中，离子交换作用和水-岩溶解作用是主要的控制因素。2.根据水化学类型判断，SO₄²⁻-Na·Mg型水通常发育在硫酸盐岩分布区或存在人类活动污染的区域。3.地球物理电阻率法中，选择供电电流强度和时间需要考虑地形的起伏和探测目标的深度。4.地震波速测井是获取井旁地层声波速度信息的常用地球物理方法之一。5.地下水污染地球化学诊断中，对比分析污染源水和地下水的水化学特征是识别污染途径的重要手段。6.地球物理方法在水污染场调查中，除了用于识别污染羽的分布外，还可以用于监测修复效果。7.地球物理探测技术在地下水环境监测中，能够提供连续、动态的监测信息。8.水资源保护要求在开发利用过程中，必须采取措施防止地下水污染。三、简答题1.简述水-岩相互作用对地下水化学成分演化的影响。2.简述电法勘探在地下水勘查中常用的两种装置形式及其基本原理区别。3.简述利用地球物理方法监测地下水污染的主要思路和常用技术。四、计算题1.某地下水样分析结果如下：Ca²⁺=90mg/L,Mg²⁺=30mg/L,Na⁺=150mg/L,K⁺=5mg/L,HCO₃⁻=280mg/L,SO₄²⁻=40mg/L,Cl⁻=60mg/L,TDS=500mg/L。假设水的密度为1.0g/cm³，求该水的pH值（忽略CO₂的影响，CaCO₃的Ksp=10⁻⁸.₃）。2.在一均匀介质中，测量到某测线上的视电阻率ρ<0xE2><0x82><0x97>为100Ω·m，已知供电电流强度I=2mA，供电时间T=0.1s，地电阻率ρs=200Ω·m。请计算该测线对应的真电阻率ρ。五、论述题试论述地球物理方法在保障地下水资源可持续利用中的作用，并分析其在应用中面临的主要挑战及应对策略。试卷答案一、选择题1.D2.A3.A4.D5.A6.B7.C8.B9.A10.C二、填空题1.地下水水化学演化过程中，离子交换作用和水-岩溶解作用是主要的控制因素。2.根据水化学类型判断，SO₄²⁻-Na·Mg型水通常发育在硫酸盐岩分布区或存在人类活动污染的区域。3.地球物理电阻率法中，选择供电电流强度和时间需要考虑地形的起伏和探测目标的深度。4.地震波速测井是获取井旁地层声波速度信息的常用地球物理方法之一。5.地下水污染地球化学诊断中，对比分析污染源水和地下水的水化学特征是识别污染途径的重要手段。6.地球物理方法在水污染场调查中，除了用于识别污染羽的分布外，还可以用于监测修复效果。7.地球物理探测技术在地下水环境监测中，能够提供连续、动态的监测信息。8.水资源保护要求在开发利用过程中，必须采取措施防止地下水污染。三、简答题1.简述水-岩相互作用对地下水化学成分演化的影响。解析思路：水-岩相互作用是地下水化学成分形成和演化的根本驱动力。当地下水流经岩土体时，水与岩石、土壤中的矿物发生物理化学作用。主要包括：①溶解作用，水溶解岩石矿物中的可溶性组分（如Ca²⁺,Mg²⁺,Na⁺,K⁺,HCO₃⁻,SO₄²⁻,Cl⁻等），使水中离子浓度增加，成分发生变化；②水-岩交换作用，水中的H⁺,OH⁻,或其他阳离子与矿物表面发生交换吸附，导致水中离子组成改变；③沉淀作用，当水中离子达到一定浓度或环境条件变化时，发生沉淀反应，移出水中某些离子。这些作用综合决定了地下水的化学成分、水化学类型及其演化路径。2.简述电法勘探在地下水勘查中常用的两种装置形式及其基本原理区别。解析思路：电法勘探通过测量人工建立的地下电流场来探测地下介质电学性质（电阻率）的差异。常用装置有：①电阻率测深（或称垂直电剖面法VES）：将电极沿测线逐点布置，保持电极距不变，改变供电电极与测量电极的相对位置，测量不同深度的视电阻率。其原理是利用供电电极产生的电场在地下不同电性分界面上的折射和反射，通过视电阻率的垂直变化来推断地下地层电性结构和深度；②电阻率测线（或称水平电剖面法HES）：将供电电极和测量电极沿测线平行排列，保持电极距不变，同时移动，测量沿测线不同位置的视电阻率。其原理是探测沿测线方向上地下电性界面的起伏和延伸情况，主要用于追踪含水层、断层等沿走向的分布。3.简述利用地球物理方法监测地下水污染的主要思路和常用技术。解析思路：利用地球物理方法监测地下水污染的基本思路是：通过探测污染物可能引起的地下环境物理性质（主要是电学性质、声学性质等）的变化，来识别污染羽的分布范围、迁移路径和动态变化。常用技术包括：①电阻率法：许多污染物（如盐类、重金属离子）溶解于水会降低地下水的电阻率。通过电阻率测量，可以发现相对低电阻率的污染水体异常带；②电磁法（特别是时间域电磁法TDEM）：污染物同样会改变地下介质的电导率。TDEM法对电性变化敏感，可用于探测污染羽的分布和监测其动态变化；③地震波法：某些污染物可能改变岩石的孔隙度、饱和度和流体性质，从而影响地震波的传播速度和衰减。利用地震方法（如横波勘探）可以探测污染引起的介质波速异常；④声波探测：污染物可能影响地下水的声波传播速度和衰减，声波方法可用于监测污染羽的界面和范围。四、计算题1.计算pH值。解析思路：计算地下水的pH值（忽略CO₂的影响），需要根据水中主要离子浓度，利用电荷平衡和质子条件方程。由于题目只给出了阳离子和阴离子浓度，需假设阴离子总量等于阳离子总量（电荷平衡）。阳离子总量：C(Ca²⁺)+2C(Mg²⁺)+C(Na⁺)+C(K⁺)=90+2*30+150+5=305mg/L。阴离子总量：C(HCO₃⁻)+C(SO₄²⁻)+C(Cl⁻)=280+40+60=380mg/L。由于阴离子总量大于阳离子总量，说明存在未计入的阴离子（如OH⁻）。假设水的离子积Kw=C(H⁺)C(OH⁻)=10⁻¹⁴(25°C)，则C(OH⁻)=C(H⁺)⁻¹。电荷平衡方程变为：C(H⁺)+C(Na⁺)+2C(Ca²⁺)+2C(Mg²⁺)=C(HCO₃⁻)+C(SO₄²⁻)+C(Cl⁻)+C(OH⁻)。将已知浓度代入并代入C(OH⁻)=C(H⁺)⁻¹，得到C(H⁺)+150+2*90+2*30=280+40+60+C(H⁺)⁻¹。化简得C(H⁺)+360=380+C(H⁺)⁻¹。即C(H⁺)+C(H⁺)⁻¹=20。解此方程得C(H⁺)≈0.995mol/L。pH=-log(C(H⁺))=-log(0.995)≈0.005。此结果不合理，表明假设忽略CO₂影响或计算过程有误。更准确的方法是使用全电导率计算或考虑HCO₃⁻的水解。此处按题目要求忽略CO₂，假设主要酸性来自HCO₃⁻的弱酸解离，则pH≈8-(pK₁+pK₂)/2≈8-(6.35+10.33)/2=8-8.34=-0.34，更不合理。说明题目数据或假设可能存在问题，但在给定条件下，最接近的解是C(H⁺)≈0.995M，pH≈0.005。实际应用中需考虑CO₂的影响。正确解法（考虑CO₂平衡和HCO₃⁻水解）：设C(H⁺)=y，则C(HCO₃⁻)≈280+y，C(CO₃²⁻)≈y²/280，C(H₂CO₃)≈y²/280。Kw=y(280+y+y²/280)≈10⁻¹⁴。近似解得y≈1.8x10⁻⁶M。pH=-log(1.8x10⁻⁶)=5.74。阳离子总摩尔浓度≈0.305M，阴离子总摩尔浓度≈0.380M。电荷平衡：y+0.150+2(0.090)+2(0.030)=0.280+0.040+0.060+(y⁻¹)。近似为y+0.3=0.38+y⁻¹。得y≈0.38-y⁻¹。此方程无合理解。说明题目数据可能不完整或假设不成立。若按阳离子总摩尔浓度计算C(H⁺)≈0.305/(0.380+1/2*0.305+1/2*0.030)≈0.305/0.6475≈0.47M。pH=-log(0.47)=0.33。同样不合理。（注：此题计算较为复杂，且题目给定数据可能存在不合理性，实际考试中可能简化或提供更合适的参数。）2.计算真电阻率ρ。解析思路：本题涉及似电阻率ρ<0xE2><0x82><0x97>与真电阻率ρ的关系。根据简单的电阻率测深原理（如温纳装置），视电阻率ρ<0xE2><0x82><0x97>与供电电流强度I、供电时间T、地电阻率ρ和电极距AB（设为2L）有关。对于温纳装置（ABMN，A、B为供电电极，M、N为测量电极，AB=L,MN=a），视电阻率表达式为：ρ<0xE2><0x82><0x97>=2πLρs/(πL²ln(AB/a))=ρs/(πLln(AB/a))。对比题目给定公式形式，可能对应其他装置或简化形式。更常见的关系是ρ<0xE2><0x82><0x97>=ρs(L/AB)*f(T,I,ρs)。若视电阻率ρ<0xE2><0x82><0x97>与真电阻率ρ成正比于L/AB，则ρ=ρ<0xE2><0x82><0x97>*AB/L。题目给出ρ<0xE2><0x82><0x97>=100Ω·m,ρs=200Ω·m,L/AB未知。但题目条件给出I,T，暗示可能涉及时间常数τ=ρsε（ε为介电常数），或与TDEM相关。TDEM视电阻率表达式为ρ<0xE2><0x82><0x97>=ρs*(1-exp(-T/τ))。若题目中的ρ<0xE2><0x82><0x97>=100Ω·m,ρs=200Ω·m,T=0.1s，则1-exp(-0.1/τ)=100/200=0.5。exp(-0.1/τ)=0.5,-0.1/τ=ln(0.5)=-0.693,τ=0.1/0.693≈0.144s。τ=ρsε=200ε。ε=0.144/200=0.00072F/m。此时计算ρ<0xE2><0x82><0x97>=200*(1-exp(-0.1/0.144))=200*0.5=100Ω·m。这与题目给定的ρ<0xE2><0x82><0x97>一致。因此，题目可能是在特定τ值下简化了关系，或者假设ρ<0xE2><0x82><0x97>≈ρs。若直接按比例关系，ρ=100*AB/L。若设L/AB=1，则ρ=100Ω·m。若设L/AB=ρs/ρ<0xE2><0x82><0x97>=200/100=2，则ρ=100*2=200Ω·m。题目未给L/AB，无法确定唯一解。结合TDEM公式，最可能的解释是题目简化了，认为在给定条件下ρ≈ρs。取ρ=100Ω·m或ρ=200Ω·m均有可能，但若按TDEM公式推导，ρ≈100Ω·m更符合给出的参数。此处取ρ=100Ω·m。五、论述题试论述地球物理方法在保障地下水资源可持续利用中的作用，并分析其在应用中面临的主要挑战及应对策略。解析思路：地球物理方法在保障地下水资源可持续利用中扮演着重要角色，主要体现在以下几个方面：1.勘查与评估：利用电阻率法、电磁法、地震勘探等方法可以探测地下含水层的分布范围、厚度、埋深、富水性、连通性等，评估含水层的资源潜力，为水源地选择和规划提供依据。2.污染调查与监测：电法、电磁法、地震波法等可以探测地下水污染羽的分布范围、迁移路径、界面位置，识别污染源，监测污染动态变化，为污染治理提供空间信息支持。3.管理与优化：地球物理方法可用于监测地下水开采引起的地下水位变化、含水层结构变形，为优化开采方