2025年大学《地球化学》专业题库- 地球化学在水资源调查中的应用

2025年大学《地球化学》专业题库——地球化学在水资源调查中的应用考试时间：______分钟总分：______分姓名：______一、选择题（每题2分，共20分。请将正确选项的字母填在题后的括号内。）1.在地下水系统中，下列哪一项通常不是其主要离子来源？A.岩石和土壤的风化B.大气降水C.生物活动D.地下深处的高温高压变质作用2.当地下水中HCO₃⁻的浓度远大于SO₄²⁻，且Ca²⁺浓度也相对较高时，其水化学类型可能为？A.Cl-SO₄-Ca·Mg型B.SO₄-HCO₃-Ca型C.Cl-HCO₃-Na型D.HCO₃-Cl-Na型3.水溶液中pH值主要取决于？A.阳离子的总浓度B.阴离子的总浓度C.溶解氧的含量D.氢离子（H⁺）的浓度4.下列哪种地球化学方法常用于判断地下水的补给来源？A.水化学组分三角图B.稳定同位素（δD,δ¹⁸O）分析C.水文地质参数计算D.地球物理探测5.水与矿物发生接触时，如果水中某种阳离子（如Ca²⁺）的浓度超过该矿物的饱和指数，则可能发生？A.矿物溶解B.矿物沉淀C.离子交换D.氧化还原反应6.在地下水污染调查中，识别污染来源的重要依据之一是？A.水化学类型的空间分布B.水温的季节变化C.地下水位的垂直变化D.降水量的年际变化7.Gibbs图主要用于？A.判断地下水的补给来源B.估算水-岩相互作用程度C.预测地下水污染范围D.评价地下水的饮用安全性8.某地区地下水中Cl⁻、Na⁺含量很高，而其他离子含量相对较低，且水色呈微咸，这种水化学特征最可能与下列哪种环境有关？A.强酸性森林土壤环境B.碱性黄土环境C.海水入侵或盐湖附近环境D.矿床水环境9.利用地球化学模型（如PHREEQC）可以模拟预测？A.地下水的流动路径B.水化学成分在时间和空间上的变化C.地下水位的动态变化D.地下水对周围环境的宏观影响10.在评价地下水作为饮用水源时，地球化学方法主要关注？A.地下水的储存量B.地下水位的动态变化C.水中化学成分的组成、来源及其对人体健康的影响D.地下水对地表景观的影响二、填空题（每空1分，共15分。请将答案填在题中的横线上。）1.地下水化学成分的来源主要包括______、______和______三大方面。2.地下水水化学类型通常根据水中______和______的主要离子种类和含量进行划分。3.水的离子积（Kw）是衡量水溶液______的重要指标，其表达式为______。4.稳定同位素地球化学方法在水资源调查中可用于______、______和______等方面。5.水与矿物相互作用的主要过程包括______、______、______和______。6.地下水污染地球化学调查中，判断污染物迁移路径和范围的重要方法是______。7.地球化学找水方法常利用地下水中某些指示矿物（如______）的存在或异常含量来进行。三、简答题（每题5分，共20分。请简要回答下列问题。）1.简述水化学成分的主要来源及其对地下水水质的影响。2.简述水-岩相互作用对地下水化学成分演化的主要影响机制。3.简述利用地球化学方法判断地下水污染来源的基本思路。4.简述稳定同位素在判断地下水补给来源方面的应用原理。四、计算题（每题10分，共20分。请列出计算步骤，得出结果。）1.某地下水中测得主要离子浓度为：Ca²⁺=80mg/L,Mg²⁺=30mg/L,Na⁺=20mg/L,K⁺=5mg/L,HCO₃⁻=180mg/L,SO₄²⁻=50mg/L,Cl⁻=70mg/L,CO₂=2mg/L。假设水的密度为1g/cm³，计算该水的pH值。（提示：可利用简化的质子条件方程式，并假设HCO₃⁻是主要的碱度组分）。2.假设某地下水中主要阳离子为Ca²⁺(0.01mol/L)和Na⁺(0.001mol/L)，主要阴离子为HCO₃⁻(0.02mol/L)和SO₄²⁻(0.005mol/L)。已知在该温度下，方解石（CaCO₃）的Ksp=10⁻⁸.₃，白云石（CaMg(CO₃)₂）的Ksp=10⁻⁹.₈。请判断在该地下水中，方解石和白云石是否会沉淀？（要求列出沉淀判据的计算过程）。五、论述题（10分。请结合所学知识，全面论述地球化学方法在保障饮用水安全方面的作用。）试卷答案一、选择题1.D2.B3.D4.B5.B6.A7.B8.C9.B10.C二、填空题1.岩石和土壤的风化，大气降水，生物活动2.阳离子，阴离子3.酸碱性，[H⁺][OH⁻]=10⁻¹⁴(或Kw=[H⁺][OH⁻])4.判断地下水补给来源，评价水循环过程，追溯水历史5.溶解，沉淀，吸附-解吸，离子交换6.水化学场法（或地球化学背景值法）7.石英三、简答题1.简述水化学成分的主要来源及其对地下水水质的影响。解析思路：首先列举主要来源：岩石风化（影响离子种类和浓度，一般含量较高）、大气降水（主要提供H⁺、OH⁻、CO₂、Cl⁻、HCO₃⁻等，影响初始化学特征）、生物活动（释放或消耗某些离子，如CO₂、HCO₃⁻、NH₄⁺等）。然后分别说明各来源对水质的影响：岩石风化使地下水富含矿物质，TDS（总溶解固体）通常较高；大气降水本身偏中性或弱酸性，是地下水化学的初始背景；生物活动可改变水的酸碱度、氧化还原条件及某些离子含量，可能形成特殊的水化学类型（如HCO₃-Na型）。2.简述水-岩相互作用对地下水化学成分演化的主要影响机制。解析思路：核心是水与矿物（包括岩屑、土壤、含水层骨架中的矿物）发生物理化学过程。主要机制包括：①溶解作用：水溶解可溶矿物（如碳酸盐、盐类），使离子进入水中，导致水中离子浓度增加，TDS升高，pH变化（如碳酸盐溶解使pH升高）；②沉淀作用：水中离子达到饱和，形成难溶矿物沉淀（如CaCO₃），使水中相应离子浓度降低，TDS可能降低或不变，pH也可能变化；③吸附-解吸作用：水中的离子被矿物表面吸附，或矿物表面的离子被置换进入水中，影响水中离子组成和浓度；④离子交换作用：一种阳离子（如Ca²⁺）取代矿物表面另一种阳离子（如Na⁺），反之亦然，改变水与矿物双方的离子组成。这些过程共同作用，决定了地下水化学成分沿流路径的演化趋势。3.简述利用地球化学方法判断地下水污染来源的基本思路。解析思路：核心是比较。首先确定未受污染的地下水化学背景值（天然水质）；然后分析污染羽中各点位的地下水化学特征；通过对比，寻找异常变化。主要方法包括：①水化学类型对比：污染羽的化学类型是否偏离背景水化学类型？②离子比值对比：某些离子对（如Na⁺/Cl⁻，Ca²⁺/Mg²⁺，SO₄²⁻/HCO₃⁻）的比值是否发生显著变化，指示特定的污染源（如海水入侵、硫酸盐型矿业污染）；③元素地球化学特征对比：某些指示矿物（如石英、磷灰石）的溶解导致的元素异常（如Si,P），或特定污染物（如重金属）的浓度和形态是否与已知污染源吻合；④稳定同位素对比：δD,δ¹⁸O,δ¹³C,δ¹⁵N等同位素比值的变化是否指示了不同的补给来源或水-岩/水-气交换过程，从而帮助追溯污染源。4.简述稳定同位素在判断地下水补给来源方面的应用原理。解析思路：基于水分子中氢和氧同位素（¹H,²H即D；¹⁸O,¹⁶O）在自然过程中（如蒸发、降水、水汽输送、降水再蒸发、水-岩/水-气交换）分馏作用的规律性差异。不同来源的水（如不同季节的降水、不同深度的地下水、不同流域的地表水）具有不同的同位素组成（即δ值）。通过测定地下水中δD和δ¹⁸O值，并与当地大气降水线（APWL）或当地降水/地表水同位素组成进行对比，可以推断地下水的补给来源：例如，δ值高于当地降水表明经历了晚期蒸发浓缩或来自深层循环；δ值低于当地降水表明可能来自冰川融水或早期降水；通过与不同时间段降水同位素特征的对比，可以区分不同时期的补给贡献。四、计算题1.计算该地下水的pH值。解析思路：采用简化的质子条件方程式（PCE）。PCE=Σ(Ni*zi)-Σ(Nj*zj)+[H⁺]-[OH⁻]。由于假设水为中性至弱碱性，且HCO₃⁻为主要碱度组分，可近似认为[H⁺]≈[OH⁻]，方程简化为：[H⁺]≈Σ(Ni*zi)-Σ(Nj*zj)。将各离子浓度换算为摩尔浓度（mg/L÷1000÷摩尔质量）并考虑电荷数：Ca²⁺(80/100.1)*2,Mg²⁺(30/24.3)*2,Na⁺(20/23)*1,K⁺(5/39)*1,HCO₃⁻(180/61)*1,SO₄²⁻(50/96)*2,Cl⁻(70/35.5)*1。代入计算[H⁺]的近似值，再取负对数得到pH。（注意：实际计算中需考虑CO₂分压，此处按简化处理）。2.判断在该地下水中，方解石和白云石是否会沉淀。解析思路：计算地下水中Ca²⁺的浓度（摩尔浓度）为0.01mol/L。计算Ca²⁺在水中与HCO₃⁻平衡时的浓度乘积（即Ca(HCO₃)₂的活度积近似值，假设活度系数接近1）：Ca²⁺*(HCO₃⁻)²≈0.01*(0.02)²=4*10⁻⁶。将此值与方解石（CaCO₃）的溶度积Ksp(=10⁻⁸.³=5*10⁻⁹)和白云石（CaMg(CO₃)₂）的溶度积Ksp(=10⁻⁹.₈)进行比较。若计算值>Ksp，则沉淀；若计算值<Ksp，则不沉淀。对方解石：4*10⁻⁶>5*10⁻⁹，故会沉淀。对白云石，虽然Ca²⁺浓度较低，但需考虑Mg²⁺的影响，但此题简化为只考虑Ca²⁺与HCO₃⁻的平衡，按此计算白云石的Ca²⁺浓度要求更高，计算值远小于Ksp，故不会沉淀。（注：严格计算需考虑所有离子活度及活度系数，此处为简化判断）。五、论述题结合所学知识，全面论述地球化学方法在保障饮用水安全方面的作用。解析思路：从地球化学的视角，保障饮用水安全涉及水源地的水质保护、取水点的水质监测和评价。具体作用体现在：1.水源地水质背景调查与评价：利用地球化学方法（水化学分析、地球化学背景值研究）调查区域地下水和地表水的天然化学特征，识别本底值，为判断后续水质变化是否由人类活动引起提供基准。通过分析水-岩相互作用过程，预测天然状态下可能存在的潜在污染物（如某些矿床区域的水可能富含重金属或氟化物）。2.污染识别与来源追踪：当发现饮用水质异常时，地球化学方法是识别污染物的关键。通过水化学特征（离子比值、元素异常、同位素组成）对比背景值，可以判断是天然背景升高还是人为污染，并追踪污染物的来源（如工业废水排放、农业面源污染、垃圾渗滤、地下水污染羽的扩展方向和来源区）。3.水处理工艺效果评估：地球化学原理有助于理解和优化水处理工艺。例如，混凝沉淀主要去除无机悬浮物和部分溶解性无机物（通过水解沉淀），过滤主要去除悬浮物，而活性炭吸附则对有机物和某些溶解性无机物（如砷、放射性物质）有效。地球化学分析可以监测处理过程中目标污染物浓度的变化，评估各处理单元的作用。4.饮用水标准制定依据：某些饮用水标准限值（如氟化物、砷、硒等）的设定，部分是基于对人体健康的风险评估，而这些风险评估往往依赖于地球化学对污染物在环境中迁移转化规律的认识以及人体吸收、代谢和毒理效应的研究。5.饮用水可持续性管理：地球化