第1章 绪论

地球化学建模应用领域相当广泛，包括环境科学与工程、石油地质及石油工程等。其在环境科学与工程方面的应用主要包括高放射性核废料的处置、与矿业开发相关的环境问题、垃圾填埋场、危险废物的深井封存、人工补给地下水和二氧化碳的地质封存等。其在石油地质方面的应用主要包括碎屑岩和碳酸盐岩的成岩作用及其对储层质量的影响，如白云石化、伊利石化、自生石英的过生长、胶结物生成等。而石油工程方面的应用主要包括人工成岩作用，一采、二采、三采中的水岩反应，化学物质对油藏及注井的影响等油藏和油井管理中的应用等。其中，人工成岩作用是指通过对油藏人工注入各种流体，改变油藏的温压和化学条件进而改变油气的物理和化学性质及油藏的孔渗属性。本书将着重介绍地球化学模拟在环境科学和石油地质中的应用，并详细阐述其正在解决或者可以解决的某些重要问题。

1.1 环境问题与地球化学模拟的必要性

当前，日渐突出的环境问题使社会对地球化学模拟的需求不断增加。地球化学模拟的必要性在以下几个领域表现得十分突出。

1.1.1 高放射性核废料的处置

核能发电与核武器的生产已产生了大量的乏燃料和高放射性核废料。

目前这些废料大都分散地存放在临时储存场地，场地的条件在不断地恶化，因而迫切需要寻找合适的地点进行长期性存放。1978～2010年，美国能源部应美国国会要求，对内华达州南部的尤卡山(Yucca Mountain)进行了高放射性核废料长期性存放的可行性调查(图1.1)。调查结果认为，美国内华达州沙漠中的火山凝灰岩地区适宜作为一个长期性的高放射性核废料地质储存库。其原因在于：该地区的深层地下水水位要比核废料地质储存库位置低250～300m；该地区人口稀少；其年降水量不超过15cm的沙漠型气候条件能极大地限制水和水蒸气的下渗(图1.2)。

但在决定将尤卡山作为长期性核废料地质储存库之前，还必须获得美国核管理委员会颁发的许可证。因此，对于该地区能否安全地存放高放射性核废料一万年以上需要进行涉及多学科的综合安全性评估。评估过程中建立了地球化学模型，用以计算因不同事件和过程而进入环境的放射性物质的类型及其浓度变化。

地球化学模拟之所以能够成为其中具有重要价值且必不可少的工具之一，在于其契合了上述调查项目的两方面特征：

图1.1美国计划中的高放射性核废料地质储存库——内华达州南部的尤卡山(照片来源：美国核管理委员会的Neil Coleman)

图1.2计划中位于厚层火山凝灰岩包气带中的储存库

TCw、PTn、TSw和CHn分别代表Tiva峡谷凝灰岩组，其中PTn代表Paintbrush非熔结凝灰岩，TSw代表Topopah Springs熔结凝灰岩，CHn代表Calio Hills非熔结凝灰岩；Qal代表第四纪冲积层。感谢美国西南研究所核废物管理分析中心的Jim Winterle提供此图

(1)地球化学模拟可以模拟未来发生的事件。例如，一个存放高放射性核废料的储存库将来会发生什么？数学模型包括地球化学模型是目前能预测这类问题的工具。

(2)多种地球化学过程将会影响储存库的安全性。随着高放射性核废料的储存，该储存空间的热力学条件将发生改变而使矿物发生反应以达到新的平衡。而一旦放射性核素发生泄漏，它们将会与各种矿物发生化学反应，该过程可能会阻滞核素的迁移。

为此，美国国家实验室(National Laboratories)、美国核管理委员会(Nuclear Regulatory Commission，NRC)、美国西南研究院(Southwest Research Institute，SWRI)及美国地质调查局(United States Geological Survey，USGS)的科学家对该储存库进行了大量的地球化学模拟研究。化学形态-溶解度及反应路径的地球化学模型已被用于解释水-岩相互作用实验(Knauss and Wolery，1986)、研究地下水中核素的化学形态(Ogard and Kerrisk，1984)及其地球化学演化(White and Chuma，1987)和模拟表面吸附反应过程(Turner，1995；Turner and Pabalan，1999)。不仅如此，反应溶质迁移模型也被用于评估该地区的水文地质系统以及反应迁移过程等(Johnson et al.，1998；Winterle and Murphy，1998)。以上只是大量相关研究结果的一小部分案例。

此外，地球化学模拟已被广泛用于评估其他国家的高放射性核废料储存地区的安全性。相比之下，笔者对美国高放射性核废料储存库的情况更为熟悉，因此本书中所涉及的案例主要发生在美国。

1.1.2 与矿业开发相关的环境问题

整个矿业的开发过程从早的探矿和开发可行性研究到申请采矿许可证再到正式开发、治理、改造和闭矿等都会涉及一系列环境问题，而地球化学模拟在此一系列过程中均可以起到重要的作用。

1.申请许可证

在采矿许可证申请阶段，必须评估其环境影响并审核相应的闭矿计划。这要求在破土动工之前就预测采矿之后的环境变化及其影响，因而尽管有时地球化学模型的预测结果尤其是其精度和有效性存在争议，但地球化学模拟的预测能力还是令其成为许可证申请过程中必不可少的工具。

地球化学模拟应用在该阶段的一个案例是矿坑湖的水化学特征和对野生动物及其栖息地的影响。尤其在采矿业发达的内华达州，大规模的露天金矿开采会形成几百个矿坑。在采矿活动停止后，这些矿坑会因地下水和地表水的注入而形成矿坑湖(图1.3、图1.4)。然而，这些采矿的潜在环境风险通常会在几十年后才得以显现，因此，对矿坑湖水水质及其对水生生物影响的预测都需要进行地球化学模拟，这是预测100年后目标水体水质的方法。美国部分州政府规定，模拟工作是获得采矿许可证的重要条件之一，如内华达州政府规定，地球化学模拟的结果是决定能否获得采矿许可证的必备条件之一。

图1.3美国内华达州矿坑湖(Pit lakes)的分布(图片来源：Lisa Shevenell博士)

图1.4美国怀俄明州某个因铀矿的露天开采而形成的矿坑湖(图片来源：Melissa Pratt)

在怀俄明州的一些矿坑湖中的铀、硒和镭元素超过牲畜饮用水标准

2.环境监测

在矿床开采阶段，必须依据相关的环境法规对采矿现场环境进行监测，该过程必须经监管机构批准，而且监测结果必须定期提交审议。在环境监测过程中，地球化学模拟已被用来预测水质恶化的情况或分析已产生的环境问题。

3.尾矿和采矿废渣

在矿产开发过程中，矿石的提取、加工和处理过程中都将伴随着化学反应和金属逸出等。冶炼过程一般通过碾碎、化学处理和分离等流程将矿石进行提纯。随着提纯技术的不断提高，一些低品位的矿石逐渐成为矿产开发的对象，因而为得到等量的金属将会产生更多的矿渣。例如，新技术已经使开采黄金品位在1oz(盎司)/t(约28.3g/t)的矿石时仍可盈利，然而这也意味着为了获得一枚普通的黄金婚戒将会产生约3t的矿渣。

提取金属后残留的已无经济价值的碎石和沙土即被称为尾矿。尾矿通常含有加工过程中使用的重金属和化学残留物，如硫酸和氰化物，常被填埋在尾矿池(或尾矿坑)内或回填至采矿坑道。

4.酸性矿山废水

长期被埋藏在深部的含硫矿物，在开采后暴露地表，与大气中的氧气接触，易发生氧化反应。这些反应主要发生在矿石的处理过程，同时还发生在尾矿和矿渣在地下工地、尾矿、露天矿坑及废石堆等场所。该过程会产生大量富含有毒重金属的酸性废水，通常称为酸性矿山废水(Acid Mine Drainage，AMD)。酸性矿山废水对环境明显的影响就是污染水体并导致水生生物的死亡。有时也使用酸性岩石废水(Acid Rock Drainage，ARD)这一名词，用以强调含硫矿的天然露头区发生的类似环境效应。

以往的矿产开发在全世界范围内遗留了大量的环境污染问题。仅在美国的26个州内就有10万～50万个废矿，且绝大多数位于美国西部(King，1995)。例如，在科罗拉多州Summitville露天金矿，环境监管的缺失导致含氰废水泄漏并流入Alamosa河畔的Wightman Fork，给整个国家造成了惨痛的损失(King，1995)。另在美国东部阿巴拉契亚山脉附近的几个州，高硫煤的开采污染了约17600km的小溪和河流并危及饮用水源。其修复所需费用估计在320亿～720亿美元。据美国能源部估计，美国因铀矿加工和尾矿而污染的地下水大约为3800万t。而挪威的一个经营百年的硫化铜矿已经造成了十几公里的河流中水生生物的匮乏。据估计，加拿大大约有3.51亿t的岩石废渣和5.1亿t的含硫尾矿，而治理这些相关的酸性矿坑废水问题大约需要30亿美元(Feasby et al.，1991)。

1.1.3 垃圾填埋场

垃圾填埋场是指用于填埋城市固体废物(一般称为垃圾)的区域(图1.5)。除一般生活垃圾，危险固体废物同样利用填埋法来处理。据美国国家环境保护署估计，1996年美国每人每天产生的垃圾量大约为2kg，而这个数字每年都在递增。绝大多数垃圾都需要埋入垃圾填埋场(图1.6)，导致美国拥有超过3000个正在使用的填埋场，而已关闭的填埋场的数目则更大(USEPA，1997)。尽管大多数新建的垃圾填埋场都配备了隔离屏障和其他安全措施以

图1.5现代固体废物垃圾填埋场示意图

图1.6美国各州垃圾填埋场的数量分布(来自美国国家环境保护署网站)