特征离子（精选5篇）
特征离子 篇1
前言
华南离子型稀土矿是以阳离子状态在黏土矿物表面吸附的风化壳稀土矿, 具有广泛分布、品位较高、但放射性活度较低的特点, 由于其在冶金、军事等传统领域中应用空间广阔, 所以被称为“新材料之母”“工业维生素”等, 对华南离子型稀土矿的地貌和风化壳特征展开研究, 不仅可以提升其利用效率, 而且可以降低开采过程中造成的污染, 所以具有重要的现实意义。
1 华南离子型稀土矿的地貌特征
稀土成矿母岩地貌对风化壳稀土矿具有显著的控制作用, 现阶段人们结合含矿母岩的出露高程、切割深度等将成矿母岩地貌划分为低山-丘陵地貌类型和丘陵地貌两种, 而丘陵地貌按照高度可以划分为300m以下的低丘、300~400m的中丘、400~450m的高丘三种类型, 其产状特征分别为5~20°、10~25°、15~30°[1]。华南离子型稀土矿化母岩的地貌形态主要以馒头状为主, 但由于母岩后期断裂构造和第四纪新构造发育程度存在差异, 所以在不同地貌亚类的现代冲沟发育程度并不完全一致, 这也导致具体地貌形态的馒头状形态规模、完整性与其组合特征会存在不同, 华南离子型稀土矿的微地貌形态呈现出多样化的特点, 如风化壳奇峰、宝塔、陡壁、冲沟幽谷等。从随着各类型地貌高度的不断增加, 地貌形态会呈现出逐渐简单的趋势, 换言之在母岩出露高程不断增加、切割深度不断加大的过程中, 现代冲沟发育程度会表现出减弱趋势, 微地貌特征逐渐缩减, 第四纪冲积物存在量缩减, 地貌形态组合分离程度降低。
2 华南离子型稀土矿风化壳的特征
虽然华南离子型稀土矿成矿母岩风化壳形成的时间和暴露的时间均存在差异, 但现保存的风华壳都是第四纪以来的产物, 而且仍处在生成-破坏-再生成-再破坏的循环往复之中, 风华壳的特征主要表现在以下方面:
2.1 风化壳面型特征
风化壳的所属类型, 主要取决于具体的山头、山腰、山脚微地貌因素, 通过对其类型划分可以对其相对发育程度进行判定, 进而定位离子型稀土矿, 现阶段结合各微地貌因素的特点, 将风华壳划分为以下类型:①全复式, 其在低丘地貌类型的母岩中广泛存在, 此类风化壳发育良好, 几乎将母岩全部覆盖, 基岩出露的可能性非常低, 可直接与第四纪沉积物接壤, 厚度较大, 如赣南安西岩体风化壳厚度大于30m, 矿体厚度近10m[2]。②裸脚式, 其在中丘或高丘地貌类型的母岩中分布较广, 此类风化壳除山脚出露率较高万其他微地貌几乎均被风化壳覆盖, 相比全复式其与沟系中的第四系连接程度及厚度较不理想。③残留式, 其在高丘或陡峭地貌母岩中分布较广泛, 其基岩出露的部位除山脚外, 在山腰和山头也较为常见, 其自身的连续性以及与沟系中的第四系的连接程度均较不理想。
2.2 风化壳剖面特征
风化壳完整的垂直剖面从上而下可分为以下几种, 其具体的厚度受母岩地貌类型等因素的差异影响而不同, 但在相接的部位均为渐变过渡。
(1) 表土层, 位于全风化层的上部, 其按照颜色、结构、物质成分等方面可以划分成以下子结构层:①风化壳顶部的腐殖层, 植物根部可达甚至贯穿, 受腐殖质多少的影响, 其具有灰黑色、黑褐、红褐色等颜色, 此层结构松散、稀土含量非常低, 通常在0.03%以下, 厚度不超过30cm;②腐殖层下部的红色粘土层, 较大本木植物的根本可达, 其颜色会因自上而下铁质含量的减少不断变浅, 因粘土含量较大所以其固结性相对理想, 但其稀土含量通常在0.05%以下, 其与腐殖层厚度累计在0.5~1.5m之间[3]。③风化壳离子吸附型矿体层与非矿盖层过渡位置的红色粘土化层, 其主要有浅黄色和浅肉红色, 由于粘土成分相对较少, 所以固结性较低, 自上而下不规则蠕虫状高粘土小团块的分布数量会不断增多, 其稀土含量在0.05~0.1%之间, 厚度可达1~3m。
(2) 全风化层, 其主要成分为高岭石、石英、水云母和其他难解离的岩石副矿物, 颜色以钱荒、灰白、肉红为主, 由于粘土含量较少, 所以其结构相对分散, 离子吸附型稀土矿体的分布相对较多, 具体的厚度通常在1~30m之间。
(3) 半风化层, 此层稀土含量较少, 通常难以满足现代工业生产的实际需要, 其下为新鲜基岩, 所以通常被视为离子吸附型稀土矿体的底板层, 其厚度在1~10m之间, 在此层中长石解离很不完全。
2.3 风化壳的化学成分特征
风化壳主要含有原生矿物和表生矿物成分, 前者会随着垂直剖面自上而下而不断的减少, 而后者则相反, 可以此判断风化壳的发育程度;另外, 可以根绝粘土矿物中水云母、蒙脱石、埃洛石、高岭石等矿物的含量对风化壳发育程度进行判断;华南离子型稀土矿风化壳属于硅铝质粘土型风化壳, 其化学化学成分与寒冷气候下的岩屑型风化壳、半干旱气候带下的富硫酸盐-碳酸盐型风化壳、湿热气候条件下的砖红土型风化壳均存在明显的区别[4]。华南离子型稀土矿风化壳结合其Si O2与K2O含量的差异, 在Si O2在70%以上时被称为高硅风化壳、在Si O2在62~70%之间时被称为中硅风化壳、在Si O2在62%以下时被称为低硅风华壳;在K2O的含量在2.5%以上时被称为富钾风化壳、在在K2O的含量在2.5%以下时被称为贫钾风化壳, 另外, 在Si O2和K2O均含有的情况下, 又会存在高硅富钾、高硅贫钾、中硅富钾、中硅贫钾、低硅富钾和低硅贫钾等情况, 在华南离子型稀土矿中中硅富钾风化壳成矿的频率最为理想。
结合风化壳化学成分的含量和变化, 人们发现, 在风化壳中如果Si O2含量不断降低, 那么在风化壳中Ti O2和AI2O3含量会表现出明显的升高趋势, 而Si/AI比值会逐渐降低, 另外, 在风化作用大体相当的情况下, 风化壳垂直剖面上平均化学成分的差异主要反映了母岩成分的差异。不同硅和钾含量的风化壳母岩的分布存在差异, 高硅类型主要分布在酸性和超酸性斜碱花岗岩和碱长花岗岩中;中硅类型主要分布在酸性-中酸性二长花岗岩、花岗闪长岩、变质沉凝灰岩中;低硅类型主要是石英正长岩和花岗闪长岩中。所以可以通过Si O2含量判断风化壳中残留石英和钾长石的含量。富钾类型主要分布在残留钾长石较多的地域、贫钾风化壳则分布在风化壳含钾长石少的地区, 但其并不能反映母岩的钾长石低, 如河岭风化壳。
3 结论
通过上述分析可以发现, 现阶段人们已经认识到华南离子型稀土矿的经济意义和战略意义, 并有意识的通过对其地貌特征和风化壳特征进行全面准确的了解, 提升开采的实际效果, 降低开采过程中的环境损伤, 这是充分利用华南离子型稀土矿的重要途径, 应不断深入研究。
参考文献
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[4]吴继炜, 王颖, 黄长帅, 曾治平.广西岑溪市波塘地区稀土矿特征及成矿条件分析[J].矿产与地质, 2014, 06:679~684+698.
特征离子 篇2
过渡金属正离子和卡宾配合物成键特征的理论分析
在6-311G基组从头算的基础上对第一过渡系含偶数电子的金属正离子(Sc+,V+,Mn+,Co+,Cu+)与卡宾CH2的配合物的成键特征进行了细致的分析.用能级位移算符逐步降低分子片空轨道能级的方法代替分子片轨道冻结,使KSM能量分解的.耦合项得以消除.能量分析结果表明,Sc+-CH2键是由σ供键,π供键与π反馈键组成的,不能忽略π供键.而Cu+-CH2键是由σ供键与σ,π反馈键组成的,不能忽略σ反馈键.同时对VCH+2,MnCH+2和CoCH+2的1A1电子态也进行了粗略的讨论.
作 者：丁涪江 作者单位：四川师范大学化学系,成都,610066 刊 名：化学学报 ISTIC SCI PKU英文刊名：ACTA CHIMICA SINICA 年，卷(期)： 61(2) 分类号：O6 关键词：过渡金属卡宾正离子 成键特征 能量分解分析 从头算特征离子 篇3
负离子含量不仅与地理条件、地壤放射性物质的活动有关, 还与气象要素有关[5]。景德镇市地处赣东北, 是一个极具瓷都特色的山水、园林、生态、文化城市, 目前全市森林覆盖率达58.89%。景德镇市气象台从2007年年底引进负离子观测仪, 并于2008年初正式列为国家气象局观测项目[6], 在每天的9:00和16:00观测2次。笔者利用2008年全年景德镇市气象台观测到的负离子含量有效数据进行分析, 研究景德镇市负离子含量特征, 并与同一时刻的气象要素进行对比, 得出负离子含量与当地气象要素的关系。
1 景德镇市负离子含量特征
1.1 景德镇市9:00和16:00负离子含量特征
景德镇市气象台2008年全年负离子有效观测数据9:00有228个, 16:00有227个。9:00的平均负离子含量为198对, 最大含量640对, 出现在2008年6月19日。16:00的平均负离子含量为182.6对, 最大含量560对, 出现在2008年7月14日。9:00和16:00的最小负离子含量都是20对。对这些样本的负离子含量按10~90对、100~190对、200~290对、300~390对、400~490对、>500对等6个等级对进行归类, 结果见表1。
由表1可知, 景德镇市负离子含量大部分都在100~290对, 9:00在这个区间内的占总量的80.2%, 16:00的占71%。负离子含量在400对以上的情况很少出现, 9:00仅出现9次, 占总量的3.9%, 而16:00仅出现5次, 占总量的2.1%。负离子含量在90对以内的也较少, 9:00有19次, 占8.3%, 20:00有38次, 占16.7%。
1.2 景德镇市9:00与16:00的负离子含量对比分析
2008年观测数据中一天内9:00与16:00同时有效的样本有223个, 对9:00与16:00负离子含量大小进行比较, 结果表明:景德镇市上午的负离子含量总体来讲较下午的要高。在223个有效的对比数据中, 9:00负离子含量比16:00高的有126次, 占总量的56.5%, 而比16:00底的只有79次, 占总量的35.4%。而一天中上午、下午负离子波动一般都在200对以内, 占总量的96%。
2 景德镇市负离子含量与气象要素的关系
2.1 总云量与负离子的关系
对所有负离子观测时的总云量与负离子含量进行对比分析, 结果见表2。从表2可以看出, 在总云量 (云量标准参考地面气象观测规范[1]) 达到7成和8成时景德镇市的负离子含量明显上升, 即在整个天空均被云覆盖时负离子含量最大。
2.2 天气现象对负离子的影响
从表3可以看出, 天气有霾时的负离子含量最低, 21个样本的平均负离子含量仅为151.4对, 其次是晴天, 平均负离子含量为168.5对。而有降水时的负离子含量明显偏高, 间歇性小雨的平均负离子含量高达287.6对, 远高于平均值。而在不同性质的降水中, 阵雨的负离子含量较低, 25个阵雨样本中平均负离子含量仅为181.4对, 较间歇性小雨时低近100对。虽然由于观测时间段有限, 非阵性雨、雷暴、间歇小雪、冰粒、中常阵雨的样本数均小于5个, 可比性差, 但在出现的样本中, 负离子平均含量也都明显大于均值。有雾时负离子含量也较高, 52个轻雾样本的平均负离子含量为196.5对, 较晴天高近30对, 较有霾时高45对。
2.3 气温对负离子的影响
在气温与负离子的关系中可以看出 (表4) , 气温超过30℃后, 负离子含量就明显降低, 86个样本中平均负离子含量仅为148对。其次是气温在25~30℃时相对较低, 平均为182对, 接近均值。而气温在25℃以下时的负离子含量都较高, 大部分都接近或超过200对, 且变化幅度较小, 即当气温在25℃以下时人体感觉是最清新的。
2.4 空气湿度对负离子的影响
在湿度与负离子的关系中 (表5) , 当空气的相对湿度超过60%时, 负离子含量就会明显加大, 超过80%时最大, 平均负离子含量高达251对, 接近间歇性小雨时的负离子含量。而相对湿度在60%以下时, 负离子含量较低, 一般都在160对以下, 其中相对湿度在10%~39%时的负离子平均含量为164对。
2.5 水汽压与负离子的关系
水汽压指空气中水汽的压力, 从水汽压与负离子的关系中 (表6) 可以看出, 水汽压在10.0~19.9 h Pa时, 负离子含量最高, 平均有211对。其次是在25.0~29.9 h Pa时, 负离子含量较高, 平均有201对。而水汽压在30 h Pa以上时, 负离子含量则明显减少, 平均仅为168对, 比平均值低了20对以上。
2.6 景德镇市气象台本站气压与负离子的关系
从负离子与气压关系来看 (表7) , 景德镇市气象台本站气压越高, 相对负离子浓度就有所上升, 但是幅度较小, 气压在1 020 h Pa以上比气压在1 000 h Pa以下平均负离子含量高出不到20对。
2.7 露点与负离子的关系
露点与负离子关系见表8, 从表8可知, 露点在10~20℃的负离子含量较大, 其中在10.0~14.9℃最大, 负离子含量达229.8对, 而在其他区间的平均负离子含量都在180对左右。
2.8 风对负离子的影响
风对负离子含量也有一定的影响, 风向、风速与负离子关系见表9, 从表9可知, 西风时的负离子含量最大, 平均含量高达254对。偏北风 (指所有含偏北风分量的风) 出现概率最多, 但平均负离子含量相对较低, 为189.3对。风速在1~3 m/s时, 负离子含量相对较高, 平均达193.5对。
2.9 负离子与空气污染物含量关系
负离子与空气污染物 (二氧化硫、二氧化氮、可吸入颗粒物) 含量的关系不大。2008年全天有正常负离子观测同时又有污染物浓度的样本共有221个, 将每天的9:00与16:00的负离子含量取平均值, 然后将每天平均负离子含量分别与二氧化硫、二氧化氮、可吸入颗粒物浓度计算相关系数, 负离子与二氧化硫的相关系数为-0.005 52, 与二氧化氮的相关系数为-0.087 9, 与可吸入颗粒物的相关系数为-0.080 69。
3 结论与讨论
分析结果表明, 景德镇地区上午负离子含量较下午高, 9:00平均负离子含量为198对, 16:00为182.6对。景德镇市负离子含量有7~8成都在100~290对。2008年观测到的最大负离子含量为640对。该地气象情况对负离子含量有明显影响。当天气出现间歇性小雨时, 负离子含量高, 而有霾或晴天时, 负离子含量较低。气温在25℃以下、云系满天、相对湿度超过80%时负离子含量都较高。水汽压在10.0~19.9 h Pa时, 负离子含量高, 而在30 h Pa以上则含量明显下降。露点是在10.0~14.9℃最大。随着气压的升高, 负离子含量有增加的趋势。西风及风力在1~3 m/s时, 负离子含量相对较大。而负离子含量与空气污染物含量无明显相关性, 并不是污染越大, 负离子含量就少。本研究采用的是2008年全年景德镇市气象台的负离子观测资料, 由于其中仪器有些时间段出现故障, 造成有些天没有资料。由于样本有限, 有些气象条件出现的几率较低, 给资料的可比性带来了不足。而景德镇市气象台海拔较高, 院内绿化程度也较市区好, 所以这些负离子观测数据也不能完全代表景德镇市全市的状况。
参考文献
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特征离子 篇4
1材料与方法
1.1仪器与材料PM2.5中流量采样器 (武汉天虹TH-150C);采样亭;石英纤维滤膜Whatman QMA(Art. No. 1851-090);分析天平(梅特勒托利多AE240,感量0.01mg);离子色谱仪(美国戴安,ICS-2000);漩涡振荡器(美国Vortex2);水(Millipore超纯水机);电子流量计(TSI 4046电子流量计);PM2.5中流量采样器流量校准器(THM-150微电脑中流量校准器);恒温恒湿箱;温度计;气压计;滤膜保存盒(Safelab/90mm)。
1.2样品采集 石英纤维滤膜使用前400℃ 烘烤5h,冷却后放入恒温恒湿箱中平衡24h后进行称量。 将已编号、称量的滤膜放入洁净的采样器滤膜夹内采样,结束后用镊子取出滤膜,将尘面向内对折后放入滤膜保存盒中,记录采样体积等信息。样品于4℃密闭、避光保存,运输过程中切勿沾湿滤膜。在济南市共设置两个点进行PM2.5的采集,分别位于历城区王舍人社区和市中区十六里河社区。采样点避开污染源及障碍物,监测高度为10~15m,2013年11月至12月每月10-16日及雾霾日进行连续监测(雾霾日以当地天气预报为依据),每次采样时间为24h。
1.3样品分析打开滤膜保存盒上盖后,将滤膜保存盒放入放在恒温恒湿箱中,于采样前相同的温度和湿度条件下平衡24h,记录平衡温度与湿度。在上述平衡条件下,用感量为0.01mg的分析天平称量滤膜, 记录滤膜重量。水浴超声浸提后取采样滤膜适量,准确称重后剪碎置于50m L刻度离心管底部,加入10m L纯水浸没截取的滤膜,拧紧离心管的螺旋盖,于通风橱里20℃室温水浴超声浸提30min后,取出放至室温,浸提液用0.45μm滤头过滤,向离心管中加入适量纯水清洗内壁并过滤,合并滤液转移至50m L容量瓶中,以去纯水定容至刻度采用离子色谱(IC)测定测试样中各无机水溶性离子的含量。
1.4统计学方法采用Excel 2003建立数据库,使用SPSS17.0对资料进行统计学分析,计量资料组间比较采用t检验和秩和检验,P<0.05为差异具有统计学意义。
2结果
2.1空气中PM2.5含量2013年11-12月,济南市历城区王舍人社区(0.149±0.081)和市中区十六里河社区(0.117±0.066)PM2.5含量,经秩和检验,差异无统计学意义(T= 351.0000,P=0.1106)。
2.2大气PM2.5中水溶性离子含量及比例2013年11月到12月,济南市市中区大气PM 2.5样品中Cl-、 SO2-4、NO-3和NH+4四种离子的质量浓度总和占PM 2.5质量浓度的42.45% , 质量比例依次为NO3-(15.53%)、SO2-4(12.33%)、NH+4(10.70%)和Cl-(3.89%)。 历城区大气PM 2.5样品中Cl-、SO2-4、NO-3和NH+4四种离子的质量浓度总和占PM 2.5质量浓度的28.75%,质量比例依次为NO-3(9.87%)、SO2-4(8.98%)、 NH+4(6.05%)和Cl-(3.85%)。见表1。
注:a 表示 P<0.05,差异有统计学意义
2.3可溶性氯化物特征分析历城区空气中可溶性氯化物含量明显高于市中区(秩和检验,T= 318.0000, P=0.0040)。历城区大气PM2.5中可溶性氯化物含量明显高于市中区(t检验,t=2.4548,P=0.0185)。
2.4大气PM2.5中硫酸盐特征分析历城区和市中区空气中硫酸盐含量总体分布差异无统计学意义(秩和检验,T= 393.0000,P=0.3539)。历城区和市中区大气PM2.5中硫酸盐含量总体分布差异无统计学意义(t=0.4220,P=0.6753)。
2.5大气PM2.5中硝酸盐特征分析历城区和市中区空气中硝酸盐含量总体分布差异无统计学意义(t=0.2384,P=0.8128)。历城区和市中区大气PM2.5中硝酸盐含量总体分布差异无统计学意义(t=1.8995, P=0.6047)。
2.6大气PM2.5中铵盐特征分析历城区和市中区空气中铵盐含量总体分布差异无统计学意义(t=0.1896, P=0.8506)。市中区大气PM2.5中铵盐含量明显高于历城区(秩和检验T= 516.0000,P=0.0291)。
3讨论
大气中的颗粒物成分非常复杂,包括含碳颗粒、 无机盐类及其酸根、金属、有机化合物和致病微生物等。危害人类健康的主要是直径小于10微米的气溶胶粒子,如:硫酸盐、硝酸盐和有机气溶胶粒子等,能直接进入呼吸道和肺叶中,引起鼻炎和支气管炎等病症,长期还会诱发肺癌。研究表明,城市大气中PM 2.5与气管炎、呼吸系统发病率、心脏病发病率、肺癌患者就诊率之间存在明显的剂量—效应关系[3]。
有研究显示[4],PM2.5有6个重要来源,包括土壤尘、生物燃烧、汽车尾气、垃圾焚烧、工业污染和二次无机气溶胶。Xu H[5]等指出,高SO2-4和NO-3的存在表明,煤的燃烧给以PM10和PM2.5显著的贡献。有国内研究测定北京部分地区大气PM 2.5样品中F-、 Cl-、SO2-4和NO-3四种水溶性阴离子的质量浓度,分析显示四种离子的浓度总和占PM 2.5质量浓度的19.14%,质量比例依次为SO2-4(14.68%)、NO-3(2.92%)、 Cl-(1.45%)和F-(0.09%),可以解释由此导致的急、慢性呼吸系统损害,进而分析2003-2004年北京部分地区PM2.5主要来源为土壤尘、煤燃烧、汽车尾气排放、 海洋气溶胶及钢铁工业生产污染等[6]。Yin L[7]等的研究显示,NO-3、SO2-4和NH+4等离子是秋冬季PM2.5中最丰富的成分,燃烧和汽车尾气排放可能是PM2.5的主要污染源。Yang L[8]等指出NO-3、SO2-4和NH+4等离子是济南市PM2.5的主要化学成分,与本次研究结果一致。
特征离子 篇5
三峡库区自建坝以来其水质便引起了广泛的关注,建坝后水动力条件改变,水库上游沉积作用增强,水循环动力减弱,大面积土壤被淹没,以及后靠移民所引起的生态负担增加都加剧了水质的恶化。重金属污染、水体富营养化等对库区生态系统的稳定和库区居民的健康造成了严重威胁。水质恶化所带来的恶果往往是不可修复的[1],因此,做好水污染的防治将关系到整个三峡工程的成败。
近年来,对三峡库区水质监测的研究很多,但多限于干流的水质监测。库区的补给来源于数条支流,其中大部分污染物质都来源于支流。因此,做好支流的防治才能从根本上解决库区水污染问题[2]。因此,开展库区小流域河水地球化学组成特征研究以及水质演化过程分析就显得尤为重要。
茅坪河位于秭归县东南,属长江的一条支流。发源于磨力山,流经新屋场、泗溪风景区、日月坪、建东村、向王洞大桥、张家冲、过河口、赵家坝、杨贵店,于三峡工程附坝附近与陈家冲水交汇后汇入长江。研究区河段长约14km。河流补给来源主要为大气降水,在泗溪风景区附近有岩溶地下水补给,径流量随季节变化较大。沿河流域分布有养鱼场、养猪场、养兔场和大片工业区,主要工厂类型有造纸厂、玻璃厂、纺织厂、服装厂、电子厂、建材厂、水泥厂和砖瓦厂等,工业的发展给水环境带来了不良影响。
本文旨在通过对茅坪河流域水文地球化学研究,达到以下几个目的:(1)对茅坪河的水文地球化学特征进行研究,从而为分析整个库区的水质演化机理提供参考;(2)调查微量元素锶的含量变化,分析锶的来源及影响因素;(3)通过分析重金属元素污染,为库区工业化发展过程中遇到的生态环境保护提供参考。
1 材料与方法
1.1 水文地质条件
茅坪河在进入泗溪风景区之前主要流经寒武系地层,包括覃家庙组、石龙洞组、天河版组、石牌组和水井沱组。其中流经覃家庙组结晶白云岩、硅质白云岩和角砾状白云岩段为大溪,流经途径最长,对水质影响很大,然后依次流经石龙洞组微晶白云岩、天河板组灰泥岩、石牌组粉砂岩和灰泥岩、水晶沱组灰岩。进入泗溪风景区,主要流经地层包括震旦系的灯影组、陡山沱组、南沱组。灯影组以白云岩为主,富含微古植物、藻类、黄铁矿及炭质,属台地相沉积,流经长度为500m左右;陡山沱组岩性为灰黑色灰质页岩、硅质页岩与深灰色中厚层白云质灰岩、白云岩、泥质灰岩、灰岩互层,属开阔海台地相沉积,流经长度为600m左右;南沱组岩性为灰绿色中厚层冰碛泥岩、冰碛砾岩,为陆地冰川堆积,流经长度150m左右。
本次取样段流经岩层为莲沱组、黄陵岩体及第四系沉积层,莲沱组岩性为灰红色中厚层石英砂岩,长石石英砂岩夹细砂岩、砂质页岩,底部为砂砾岩或砾岩,砾石成分为石英岩,含微古植物,为滨岸陆屑滩相,取样点1、2位于该地层;取样点3、4号位于黄陵岩体,端仿溪序列,寨包单元,岩性以细中粒英云闪长岩为主,流经长度500m左右。河流穿过第四系堆积物汇入长江,在第四系流经长度最长,从第5~14号取样点皆位于该层。茅坪河河谷为宽谷,发育I~Ⅶ级阶地,其中I级阶地为基座阶地,具二元结构,下部为砾石层,上部为粘质砂土层;Ⅱ~Ⅶ级阶地为侵蚀阶地,堆积物很少。
1.2 样品采集和实验分析
水样采于2011年7月,采样区域从泗溪风景区到入江口,共采集水样14个,其中1~12,14号水样属于茅坪河干流,13号水样取于陈家冲沟与茅坪河交汇处。采样期间处于丰水季节,河流以大气降雨补给为主。采样过程中,用Millipore公司生产的Swinnex可换膜针头过滤器进行过滤,滤膜为0.45μm混合纤维滤膜。过滤后的水样分装入2个用去离子水和过滤后水样润洗过的PET瓶,其中1个加入浓硝酸,将pH调至小于2,密封后用于阳离子监测。水体的温度、电导率、TDS、盐度、pH、溶解氧、浊度等参数采用雷磁DZB-718便携式多参数分析仪现场测定。离子测定工作在中国地质大学(武汉)环境学院实验中心完成,阳离子测试采用ICAP6000电感耦合等离子体光谱仪测试,K+、Na+、Ca2+、Mg2+、Sr2+的测定精度分别为0.43%、1.28%、0.52%、3.48%和0.062%,其他微量元素的测定精度都在2%以内,阴离子采用ICS-1100离子色谱仪测试,Cl-、NO3-、NO2-、SO42-、F-测定精度分别为5.16%、1.53%、1.86%、4.21%和0.57%。
2 结果与讨论
2.1 河水主要元素组成特征
茅坪河水中的主要阴、阳离子组成见表1。
注:浊度的单位为度;电导率的单位为μS。
水样pH范围7.85~8.43之间,为偏碱性环境,pH在整条河流表现为先增大后减小。浊度在1~7号点较小,满足国家Ⅲ类谁标准,在7号点开始增大,特别是9号点之后急剧增大上百倍,分析原因是:7号点在养兔场下游,养兔场的排出物使水质恶化,浊度增加,而10号点位于造纸厂排污口下游,往下是工业区和生活区,这就不难理解浊度增加的原因。TDS在1~11号点较低,河水中溶解性固体含量较低,而12~14号点较高,超过世界主要河流水体中的TDS平均值283mg/L。12号点TDS增加的原因是附近建材公司生产所带来的污染。9号点开始,溶解氧逐渐降低,12~14号水样为国家IV类水标准,也表明下游污染严重。而对于13号点,通过电导率、浊度等比较可以发现,其水质与水流干流明显不同,水质较差。
为了研究茅坪河水质的演化过程,利用SPSS软件对水样主要离子进行了聚类分析。分析结果(图2)显示,13号水样与其他水样的离子组成有很大的差异,通过图1可以清楚的发现,13号点的水样发源于黄陵岩体,主要补给为云英闪长岩风化裂隙水,又受到污水处理厂的污染,与干流水样差异很大。1、2、3号水样为一类,取样点间距很近,又无支流汇入,水质很接近。4号水样与1、2、3号有差异,主要原因是莲沱组砂岩裂隙水汇入。5、6、7、8号水样为一类,5号水样出现变化的原因有以下几点:(1)4号点以后,河流进入第四系,第四系堆积物中的物质溶入河水;(2)5号点位于建东村中部,居民区的污水直接排入河流,水质受到了污染;(3)4号点与5号点之间有大片农田,农业适用的化肥和农药污染了水体;(4)取样点上游有支流汇入,支流源于寒武系和震旦系地层,矿化度较高。9号点水样与前后水样差别很大,主要原因是有大支流汇入,支流发源于何星水库,主要流经南沱组、莲沱组岩层和黄陵岩体。11号点后,由于工业区大量排污,水质恶化,因此,12、14号点为一类,与上游水质差别很大。
茅坪河水化学组成以Ca2+、Mg2+、Na+、K+和HCO3-、SO42-、Cl-为主。按苏林分类,除13号水样属于Na2SO4型水外,其他水样都属于MgCl2型水。除如图3所示,除13号点外,在阳离子组分中Ca2+>Mg2+>Na+>K+,其中Ca2+是主要的阳离子,占68.6%~77.2%,Mg2+占16%~23.4%,Ca2+和Mg2+的总和占到了86%以上,且表示为逐渐减小的趋势,如图4,主要原因是河水在流动过程中Na+和K+不断增加,Na+和K+含量从1.16mg/L增加到了12.85mg/L,10号点之前,增加幅度比较稳定,应该是流经途中岩石风化所致,从11号点开始明显增加,11号点处于工业聚集区,因此,工业对河水的离子组成影响很大。在阴离子组分里,HCO3->SO42->Cl-,其中HCO3-是主要的阴离子,占71.4%~80.3%,HCO3-和SO42-占到了阴离子总量的92.8%~97.9%。13号点阳离子组成与前者有很大差异,表现为Ca2+>Na+>K+>Mg2+,Na+和K+占到了41%,阴离子组分里,SO42-和Cl-含量也明显偏高,该点位于污水处理厂下游的陈家冲与茅坪河交汇处,水样呈褐色、有异味,其水质明显受到了污水处理厂排水的影响。
研究区河水中Si2+含量较高,为1.4~8.8mg/L,而且沿水流方向不断增大。这是因为Si元素在各种矿物中都广泛存在[3],如石英、正长石、斜长石、云母、角闪石中,在整个风化过程中都有不同程度的析出[4]。故Si2+在河水中含量高。
2.2 河水中Sr浓度变化及岩石风化特征
锶是人体必需微量元素之一,与维持人体正常生理功能有密切关系,在人体内的代谢与钙极为相似,与钙有同样的生理功能,影响神经肌肉的兴奋性和骨骼的发育成长。茅坪河水样具有较高的Sr含量,其含量变化范围在0.272~0.378mg/L之间,达到了我国天然锶矿泉水标准(>0.2mg/L),与世界河流平均值(0.078mg/L)相比,茅坪河的Sr含量高出5倍左右。由于Sr2+在常温下的溶解度可以高达39mg/L,水中Sr2+的浓度远低于含锶盐岩的溶解度界限[5],因此,河水中Si2+浓度主要决定于岩石中锶的含量以及水的循环条件[6]。分析锶与主要离子的相关系数矩阵(表2)可以发现,锶与阴离子中的HCO3-和SO42-的相关系数较高,与Si2+相关性很差,因此,硅酸盐岩风化来源的Sr较少,茅坪河水中Sr2+主要来自于SrCO3和SrSO4风化。由表2可以发现,HCO3-和SO42-是没有相关性的,而由表2和图5、图6都可以发现,Sr2+浓度的变化与HCO3-和SO42-浓度变化大体趋势一致,有很高的相关性,因此,可以推测,SrCO3和SrSO4在流域岩石中的含量是稳定的。
锶与阳离子中的Ca2+、Mg2+具有很高的相关性,其中,Mg2+与锶的相关性最好,达到了0.7233,这说明Sr2+主要来源于白云岩风化,这与研究区的地质条件是符合的。白云岩岩层分布地区,γM g/γCa比例系数[8]决定了锶含量的变化,由γM g/γCa比例系数的变化可以发现,1~4号点,γM g/γCa比例系数较稳定,锶含量波动也很小,第5个点,γM g/γCa比例系数增大,锶含量出现相应的上升。6号点开始,锶浓度又开始下降,主要原因是5~8点有大量的云英闪长岩风化裂隙水汇入,由于在岩层中锶的含量依次为灰岩>白云岩>花岗岩>砂岩,发源于白云岩岩层的水样中锶含量会明显高于云英闪长岩风化裂隙水,由13号点水样中锶含量也印证了这一点,因此,不难理解9号点由于支流的汇入而使锶含量降低。由以上可知,锶含量的变化主要取决于地层岩性。
通过观察表2,也可以发现,Si2+与Na+、K+的相关性很好,达到了0.9左右,因此Si2+与Na+、K+的风化来源相同,而Si2+与Mg2+呈负相关。因此,Mg2+与Si2+、Na+、K+不是同一种矿物风化的产物。可以排除Si2+、Na+、K+是来源于黑云母(KMg3AlSi3O10(OH)2)和角闪石(Ca2Na(Mg,Fe)(Al,Fe3+)[(Si,Al)4O11]2(OH)2)风化[9],而水样中硅酸含量与Na+K离子浓度有较明显的比例,表现为C(H4SiO4):C(Na++K+)=2:1,因此,Si2+与Na+、K+来源于钠长石和钾长石的风化[10]。由Na+与K+的高相关性(0.9636)可以看出,风化岩石中钠长石和钾长石在岩石中的组成比例是稳定的。Cl-与Na+、K+、Si2+含量的相关性很高,分别达到了0.9943、0.9420和0.8821,由此可知,氯元素主要来源于矿物风化,并且可以推知氯元素以Cl-或络合物的形式存在于硅酸盐造岩矿物中。
2.3 重金属污染特征
通过ICAP6000电感耦合等离子体光谱仪对Ag、Cu、Fe等16种重金属元素进行了测试,Al、Be、Cd、Co、Cr、V 6种元素在水样中未被检出,10种被检出的重金属元素如表3所示。由表3可以发现,1~10号点未出现明显的重金属污染,也就是养猪场、养兔场等畜牧业对河水重金属污染不明显,10号点除重金属Pb的含量有所升高,其他元素变化不明显,主要是10号点上游的造纸厂排污所致,但是Pb的含量低于城镇污水处理厂污染物排放标准[11]。10号点以后,由于工业区排污的影响,河水出现不同程度的重金属污染。按照重金属的含量和污染程度的不同,可以将重金属污染物分为两类。第一类是Cu、Fe、Mn、Ni、Ag,这5种重金属元素污染较重;第二类是Mo、Pb、Sn、Zn、Li,这5中元素,在河水中含量较小,污染不明显。
对于第一类重金属污染物,由图7可知,在10号点前,几乎没有变化,在11号点Cu、Ni、Ag陡然增大,其中Cu增大了380倍,超过了I类地表水标准[12](<0.1)46倍,Ni增大了100倍,超过欧盟应用水标准[13](20μg/L)12倍,Ag增大了140倍。分析取样点周围的环境条件发现,取样点附近为工厂聚集区,分布有3个造纸厂、2个玻璃厂、2个电子厂、1个纺织厂和1个鞋厂。工厂的排污导致上述三种重金属污染物增加了百倍以上。在12号点,Fe和Mn分别增大了450倍和65倍,该点位于居民区下游,并且在附近分布有电子厂、砖瓦厂、水泥厂和建材厂等,该点河水呈白色,浊度大于200,溶解氧低,污染严重。通过图7可以发现,在11号点Cu、Ni、Ag急剧增大后在12号点又减小了数百倍,回到了正常值,分析原因有以下两点:(1)由于Cu、Ni、Ag可被铁的水和氧化物和粘土矿物等吸附,而12号点出现的大量的铁和偏碱性的环境适宜Cu、Ni、Ag细粒沉积物多点吸附[14];(2)上游造纸厂等产生了大量的悬浮物,这些有机污染物形成带负电的络合物[15],使Cu、Ni、Ag发生沉淀。而后一种原因也可以解释Fe和Mn在14号点减小的原因。
第二类污染物对河水的污染程度较小,由图8可以知道,Mo、Pb、Li这3种重金属污染物没有明显的变化规律,例如Pb在10号点由于造纸厂排污,有一定增大,但是变化很微弱。Sn和Zn虽然含量很少,但是仍有明显的变化规律,Sn在11号点开始增加,在12号点达到最大,其来源主要为化工工厂排污。Zn的增加主要是电子工厂排污引起。
3 结论