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东华理工学院 应用水文地球化学 第四章 水文地球化学参数 5
学条件参数，因此，它也是综合性的水文地球化学高级参数。SI是从固－液体系的溶解－沉淀作用来讨论，而RCI则既可探讨固－液体系，也可探讨液相体系、气－液体系、气－液－固体系；既可讨论溶解－沉淀作用，又可讨论氧化－还原作用、水解－水合、络合－离解作用或者综合的复杂作用（如氧化溶解作用，中和还原沉淀作用等）；SI主要研究的是体系的状态，而RCI在反映体系的状态的同时，又同时反应了具体条件本身的状态4。因此RCI不仅具有与SI相同的功能——反映水－岩体系中溶解－沉淀作用的状态，而且还能用来研究各种水文地球化学作用的状态和研究各种水文地球化学作用发生的条件。因而RCI是研究成矿、找矿，环境、地浸地质工艺等其它有关地质工程(核废料处置、石油开采等)中水文地球化学作用机理和条件的良好手段。它们之间的同异点总结于下表中。
表4.2.1 RCI 与SI的同异点
相 同 点 SI RCI 1. 相同的热力学原理，它们都是反应自由能的函数： ?Gr??GrSI?RCIA? 2.303aRT2.303RT2. 它们都是高级水文地球化学参数，都可以用来说明反应的方向 1. 概念上的差别： RCIA = log[A]m - log[A]b SI = log Q-logK = -(log Q - log K) / a = -SI / a Q = ([D]×[E])/[A] 2.饱和指数法则： 2. RCI法则： Q>K—过饱和； 当反应物（反应式左边项）的RCI反应物为正值，或生Q=K—平衡； 成物（反应式右边项）的RCI生成物为负值时，反应自Q 五、反应条件指数的应用实例 ［例1］相山铀矿成矿物理化学条件的研究 为了研究相山铀矿成矿的铀浓度条件，对相山铀矿的包裹体水资料进行了还原沉淀作用的铀含量边界值，反应条件指数，和沥青油矿的饱和指数的计算。 反应条件边界值，反应条件指数和饱和指数的计算结果表示于图4.2.4、图4.2.5中。图中Y25、Y55为无矿围岩中的包裹体水；S40，Y117，ZL25，EL29，EL31为铀矿体包裹体水。由图4.2.2可见Y25，Y55水中铀含量相当量高，甚至并不比ZL29低，而且它们的Eh值很低，分别为-398和-351mV，甚至比矿体中水样的Eh值(-131至-296mV)还低得多5[5P.11，2,P.49]，那么Y25，Y55地段为什么反而不成矿呢？铀浓度边界条件(?Ub)、铀浓度反应条件指数(RCIU)和饱和指数(SI)的计算结果能很清楚地说明了它的原因。由图4.2.4中可见，对Y25、Y55来说，水中铀浓度虽很高，但却比?Ub要低得多。它们的RCIU和SI都是负值，因此即使在 ?U 5 6 东华理工学院 应用水文地球化学 第四章 水文地球化学参数 = 0.1g/L 的高浓度条件下，和 Eh = -351至 -398mV的还原环境条件下，铀仍还不能由溶液中被还原沉淀成矿。而S40，Y117，ZL25，ZL29。ZL31样品的RCIU和SI都为明显的正值，这也就是那里能形成铀矿化的原因。 图4.2.2 相山矿田包裹体水铀含量， 图4.2.3 相山矿田包裹体水的 还原沉淀作用的铀含量边界值和 SI与pH的关系 反应条件指数，沥青油矿的饱和指数 由图4.2.2还可看到RCI与SI是一致的，这也证明了RCI的正确可靠性。图中还给出发生铀沉淀的铀浓度条件，BRC和RCI还能反映出Y25、Y55没发生铀沉淀的原因（这是因为在碱性条件铀还原沉淀的铀浓度边界条件值太高）。图4.2.3 表示了以上包裹体水的SI值与pH值的关系。由图可明显地看到，Y25没有符合成矿要求的主要原因是其碱性碳酸盐型水介质，水溶液的pH值太高。当存在有中和作用的条件时，假如在其它条件保持不变的情况下，则pH降低至6.8下时，水样Y25方有形成铀沉淀的条件。对那些矿化样品来说，它们的pH值都在6.9—8.0之间，假如存在碱化地下水的作用，则在其它条件保持不变的情况下，pH升高到8.9—9.5时，铀的成矿作用将终止。假如pH继续升高，它们将开始发生溶解而遭受破坏，铀将转入水中并被迁移。 ［例2］ 铀的氧化还原环境的圈定 人们习惯用水的Eh值来划分铀的氧化还原分带。Ehw是反映水的氧化还原能力和水中电子活度状态的参数，它是表示水文地球化学条件的主要参数之一。它虽与铀的氧化还原状态有一定的关系，但在概念上和实际情况中都不能将它与铀的氧化还原状态等同和相混。因此，用Ehw来划分铀的氧化还原分带虽有一定参考价值，但仍不够科学，因而往往不够精确，甚至有时还会出现差错。前节中举了相山矿田的实例也能充分说明这一点。科学地、正确地反映铀的氧化还原环境的最好参数是综合性高级水文地球化学参数RCIEh，它既含有了水文地球化学具体条件的信息，同时又含氧化—还原作用的Eh反应边界条件的信息，因此具有更好的科学性，合理性和正确性。 表4.2.2表示的是512矿床矿卷剖面水样的化学分析资料，表4.2.3表示的是这 6 东华理工学院 应用水文地球化学 第四章 水文地球化学参数 7 些水样的沥青铀矿饱和指数（SIUO2），铀氧化还原反应Eh条件边界值（EhC,U）及Eh反应条件指数(RCIEh)的计算结果。 表4.2.2 512矿床水样水化学成分 孔号 2402 3016 3012 矿化 N Y N HCO3- Cl- SO42- K+ + Na+ Mg2+ Ca2+ U 119.66 85.85 202.4 135.7 7.14 49.10 2E-4 172.81 176.57 195.96 89.06 28.43 57.23 7E-3 116.43 112.91 256.53 108.26 18.47 847.45 9E-4 pH 8.90 7.30 8.20 Eh -5.4 18 145 TDS 0.56 0.49 0.62 水化学成分单位为 mg/L; Eh — mV; TDS— g/L 表4.2.3 水样SIUO2，Ehc,U, RCIEh计算结果表 孔号 2402 3016 3012 矿化 N Y N 样号 SD18 SD15 SD39 pH 8.9 7.3 8.2 SIUO2 -4.85 0.42 -7.23 EhW -5.40 16.00 (145.00) Ehb,U -106.60 49.77 35.3 RCIEh 102.00 -33.80 109.90 图4.2.4是表示它们与氧化还原环境和矿化的关系。由表4.2.3和图4.2.4可见RCIEh和SI资料能正确地地发应铀的氧化还原环境和矿化位置。若只用水的Eh资料，2402孔水样的Eh值为-5.4mV，它可能给人一个错误的印象?铀正在被还原沉淀，但实际上该水样却位于氧化带内，其RCIEh的计算结果为+102mV。3016孔水样的Eh = 16mV, 它可 图4.2.4 30号剖面pH、RCIEh、SIUO2 曲线 能给人一个错误的印象――铀正在被氧化溶解。但实际上该水样 却位于氧化还原过渡带内，其RCIEh的计算结果为-33.8mV，铀正在发生还原沉淀作用。 ［例3］ 水中金的迁移和沉淀 图4.2.7 是用茅排地区水化学资料的平均值为条件计算制作的金存在形式分布的Eh-pH图解。图中阴影部分表示工作区水样的分布范围。编号的线段表示各种形式之间的边界条件线。因此，我们也可以用图解分析法来探讨水中金的迁移和沉淀状态。 7 8 东华理工学院 应用水文地球化学 第四章 水文地球化学参数 Eh,VpH图4.2.5 茅排矿床水中金分布Eh-pH图 由图4.2.5可见，工作区水样分布于硫代硫酸金优势场的底部，水中金处于准稳定状态，部分水样（茅排金矿床水分散流）中金正在发生沉淀作用；另一些水样在条件略有改变的情况下，金将从水中沉淀析出。用热力学原理对茅排金矿床水分散流中金还原沉淀的Eh边界值（Ehb,Au)和反应条件指数(RCIEh,Au)进行计算的公式如下： ?(c)Au(S2O3)3?2S2O2-2?e?Au3RCIEh,Au?Ehw?Ehb,Au ?2-Ehb,Au?0.144?0.059log([Au(S2O3)32]?2log[S2O3]) 表4.2.4中的RCIEh,Au计算结果都是负值，说明水分散流中的金处于不稳定 状态，那里金正在发生着沉淀作用。计算结果于图解分析结果完全一致。 表4.2.4 茅排金矿床水分散流Ehb,Au和RCIEh,Au计算结果 样号 43 44 36 51 Au (10-9g/L) 600 70 30 7 S2O32- (mg/L) 0.01 0.01 0.0024 0.0067 Ehw (V) 0.300 0.300 0.324 0.300 Ehb,Au (V) 0.478 0.420 0.470 0.380 RCIEh,Au (V) -0.178 -0.120 -0.146 -0.080 四、结论 反应条件指数是综合性的高级水文地球化学参数。它综合了水文地球化学条件和水文地球化学作用边界条件的信息，因而能更科学、更正确、更客观地反映事物状态。它一方面与饱和指数一样能反映体系的状态，另一方面它还可以反映条件的状态。因此它可用来研究事物发生的条件和原因，因而有利于查明事物发生的规律，更好的解决生产、科学研究中的有关问题。 复习思考题 1 2 3 4 水文地球化学参数有哪三类？据例说明。 论述各类参数在研究中的意义。 什么是SI？说明它的水文地球化学含义。 什么是SI法则？阐明其原理。 8