Растворенное железо в грунтовых водах мела(известковые) из Норфолка, Англия

Ежеквартальный журнал технической  геологии и гидрогеологии

 

Растворенное железо в грунтовых  водах мела из Норфолка, Англия

 

Песня Линь-Хуа и Т. К. Аткинсон

 

Ежеквартальный журнал Технической  Геологии и Гидрогеологии 1985; v. 18; p. 261-274 doi:10.1144/GSL.QJEG.1985.018.03.07

Почтовое обслуживание приведения в готовность получить тревоги бесплатного  e-mail, когда новые статьи цитируют эту статью, щелкает здесь

Просьба разрешения искать разрешение снова использовать все или часть  этой статьи щелкает здесь

Подпишите Гидрогеологию или Коллекцию  Lyell, чтобы подписаться на Ежеквартальный журнал Технической Геологии и щелкнуть здесь

Примечания

Загруженный Fermor, Встречающим доступ делегата (истекает 25/09/2009), 18 сентября 2009

1985 Геологическое Общество Лондона

 

Растворенное железо в  грунтовых водах мела(известковые) из Норфолка,  Англия

 

Песня Lin Hua & T. C. Atkinson*

Институт географии, академия Sinica, Пекин, Китайская Народная Республика;

* Школа Наук об окружающей  среде, университет Восточной  Англии, Нориджский NR4 7T Дж, Великобритания

Резюме

Химические принципы, управляющие  железным роспуском в грунтовых  водах, рассмотрены. В верхнем дренаже  Реки Буре в Норфолке водоносный слой Мела покрыт песком и водоносными  слоями дрейфа гравия и прохудившимся  до aquiclude. Содержание железа в грунтовых  водах - несколько mg 1^-1 ниже пока, но меньше ниже мин.содерж, где до не присутствует. Содержание железа и окислительно-восстановительные потенциалы вод мела связаны с потоком грунтовой воды в двух отдельных клетках обращения. В большей клетке мел ниже более высоких частей дренажа получает, перезаряжают, у которого есть высокий Fe и низко Eh из-за окисления пирита в формированиях дрейфа. Содержание железа в грунтовой воде мела уменьшается с глубиной и к областям разгрузки, вероятно отражая осаждение железного карбоната. Содержание железа уменьшается далее, где грунтовые воды освобождаются от обязательств вверх ниже долины Буре и соединения с водами второй клетки обращения, которая происходит, куда до был удален эрозией. Окисленные, бедные железом воды перезаряжают мел ниже верхних частей сторон долины и разгрузки через дно долины. Смешивание между водами в этих двух клетках может вызвать осаждение окисей железа. Подобные образцы потока были продемонстрированы в другом месте в Восточной Англии, и вероятно, что содержание железа вообще будет самым низким, где активное обращение грунтовой воды происходит ниже пока - свободное дно долины.

Введение

Присутствие растворенного железа - общая неприятность в эксплуатации грунтовых вод для общественной поставки или другого использования. Где расторгнутые железные концентрации - больше, чем фракция одного миллиграмма  за литр, вода часто ускоряет железные гидроокиси кислорода, которые могут  забить фильтры и могут передать неприятный металлический вкус воде или просто обесцветить ее. В большей  части Великобритании железо не серьезная  проблема, поскольку много грунтовых  вод хорошо окислены и имеют очень  низкие железные концентрации. В Восточной  Англии, где основной водоносный слой мела покрыт четвертичными депозитами, грунтовые воды обычно содержат несколько  миллиграммов железа за литр, вызывая  неудобство внутренним и индустриальным пользователям. В этой газете сообщают о результате гидрохимического обзора грунтовой воды в верхнем дренаже  Реки Буре в Норфолке, и возникновение  железа связано с химическими  реакциями между водой и скалой и в пределах самой воды, так  же как к образцу потока грунтовой  воды.

Эти результаты могут оказаться  полезными в указании на другие области, в которых могут ожидаться  низкие ценности растворенного железа.

Геохимия железа в грунтовых  водах

Растворимость железа в воде сложна и зависит от нескольких факторов. Это:

(i) потенциал сокращения окисления  (А) решения; 

(ii) кислотность решения; 

(iii) фактические твердые фазы  или железные полезные ископаемые, существующие в водоносном слое;

(iv) другие элементы решения,  особенно сера и неорганические  углеродистые разновидности; 

(v) фактические или потенциальные  составы железа, которое может  ускорить из решения при данных  условиях;

(vi) степень, до которой химические  реакции между растворами, или  между твердыми фазами приближаются  к равновесию;

(vii) эффект катализации железных  бактерий.

Взаимодействие этих факторов рассматривает  подробно Garrels & Christ (1965, стр 178-225) и Stumm & Morgan (1981), в то время как  Кромка (1967) и Кромка & Жнец (1959) обеспечивают обзоры важных реакций в естественных водах. Эти факторы иллюстрированы Рис. 1A и 1B, которые были построены, чтобы  показать химические условия, найденные  в области исследования. PH фактор и А располагается найденный  в большинстве естественных вод, 3-9 и-0.5 к +1.0 В соответственно. В пределах этого общего диапазона самая  важная расторгнутая железная разновидность - железный ион Fe 2 +. Если А решения, содержащего Fe 2§ в пункте A на Рис. 1A, увеличен в постоянном pH факторе (например, контактом  с воздухом), Fe 2 + окислен к железному  железу Fe 3*. Растворимостью Fe 3§ управляет  осаждение или окисей железа, таких  как goethite или hematite или, более обычно, осаждением метастабильной аморфной гидроокиси Fe (О), 3. Именно эта гидроокись обычно формирует красный, поспешный брошенный  вниз богатыми железом грунтовыми водами на подвергании воздуху. Этот процесс  иллюстрирован ABC линии в Рис. 1A. При  осаждении B Fe (О), 3 произойдет, если полное расторгнутое содержание железа превысит 10 - 5 М (0.56 мг/л).

Fe  3+ +e ~  Fe  2+  (1)

Fe(OH)3(s)  +  3H +  +  e ~- Fe  3+  +  3H20  (2)

Когда вода перемещена окислением к  пункту C, хорошо в Fe (О), 3 области стабильности, почти вся железная воля быть ускоренной как гидроокись, как полуреакции  перемещаются налево. kinetics реакции (2) может  быть довольно медленным, который составляет факт, что богатые железом грунтовые  воды часто не формируют поспешное  в течение нескольких часов после  подвергания воздуху (Stumm & Morgan 1981, стр 465-469).

((Рис. 1. Диаграммы а-pH-фактора  Fe SO4 CO2 H20 система в 25 ~ и полном  давлении на 1 атм, с полной  неорганической углеродистой концентрацией  4 x 10 - 3 М и полной серы 10 - 3 М.  А в В. Рис. 1A показывает границы  фазы железных разновидностей.

Рис. 1B показывает границы  фазы серы и неорганических углеродистых разновидностей. Построенный из данных в Stumm & Morgan (1981). Начитанные идеи объясняются  в тексте. Рисунок 1A и B объединяется и используется в качестве фона в  Рис. 4-7.))

Обратите внимание на то, что Fe (О), 3 (s) может также быть ускорен, если pH фактор решения поднят даже в константе  А. Например, решение в D на рисунке 1A, ускорит Fe (О), 3, если его pH фактор будет  поднят вдоль линии DC.

В водах, содержащих существенную расторгнутую серу, железо может также быть ускорено как пирит (FeS2) или другие полезные ископаемые сульфида. Рисунок 1A и B был  построен для полного содержания серы в 10 - 3 М. В pH факторе и А диапазоне  естественных вод, три расторгнутых зеленовато-желтых разновидности важны, ТАКИМ ОБРАЗОМ, ~, HS' и расторгнули  водородный сульфид H2S (AQ). Их области  стабильности показывают на Рис. lB. Вода в пределах ТАК ~ область такой  как, который в A способен к распадающемуся пириту реакцией

FeS2(s)  +  8H20  ~-- 2SO~ +  Fe  2+ +  16H + +  14e  (3)

в котором сульфид окислен водным путем к сульфату. Однако, если А  воды A должны были быть уменьшены в постоянном pH факторе (например, окислением расторгнутого органического вещества), это будет иметь тенденцию ускорять пирит, как только это передало вне пункта F линии AFG (Рис. 1A и B). Образование ядра пирита трудное так, чтобы железо могло остаться в решении в метастабильном состоянии, даже в низком А (Berner 1971). Однако пирит осуществляет сильный контроль над растворимостью равновесия железа в водах с низким А, и у очень уменьшенных грунтовых вод обычно есть низкое содержание железа.

Большинство естественных вод содержит разновидности карбоната (расторгнул CO2 (AQ), H2CO3, HCO ~ и CO ~), и эффект их также иллюстрирован в Рис. lB. Растворимостью siderite, FeCO3 (s), управляют прежде всего pH фактор и неорганическое углеродистое содержание решения. В области, где HCO ~ доминирует над неорганическими углеродистыми разновидностями (Stumm & Morgan 1981, p. 176), реакция

FeCO3(s)  +  H + ~  Fe  2+ +  HCO~  (4)

может быть расценен как управление осаждением siderite. Альтернативное представление - то, что реакции

H + +  CO~ ~  HCO~  (4a)

FeCO3(s) ~  Fe  z+ +  CO~.  (4b)

Добавление (4a) к (4b) дает реакцию (4). Таким  образом осаждение siderite зависит  от железного железа и неорганического  углеродистого содержания решения. Рисунок 1A и B построен для неподвижного неорганического углеродистого  содержания 4 x 10-3M, и при этом условии  растворимость железа относительно siderite зависит исключительно от pH фактора и Fe z + содержание. На Рис. 1A левую границу siderite области показывают для двух концентраций 10 - 4 и 10-5M Fe z + (5.6 и 0.56 мг / 1). Рассмотрите воду в  пункте A. Если бы его pH фактор поднят без  изменения в А, оно имело бы тенденцию начинать ускорять siderite в  пункте H, если бы начальный Fe z + содержание равнялось 10 - 4 М, и в пункте J, если начальные Fe z + равнялись 10 - 5 М.

Siderite - метастабильная фаза в  пределах части области пирита, показанной в Рис. 1A. Решения, содержащие  больше чем 10 - железная воля  на 4 ИЛИ 10 СМ имеет тенденцию  ускорять пирит и/или siderite в  этой области, хотя пирит - более  устойчивая фаза. В высоком pH факторе  siderite область ограничена реакцией  гидратации, формирующей железную  гидроокись как твердая фаза,

FeCO3(s )  +  2H20  =  Fe(OH)2(s)  +  H + +  HCO~.  (5)

Для условий Рис. 1A и B (полный неорганический C = 4 • 10 - 3 М), Fe (О), 2 фазы преобладают  для pH фактора> 9.6. И siderite и железная гидроокись непостоянны в контакте с окисленными водами и реагируют, чтобы сформировать железную гидроокись, Fe (О), 3, как твердая фаза.

FeCO3(s)  +  3H20  =  Fe(OH)3(s)+2H §  +  HCO~ +  e (6)

and

Fe(OH)2(s)  +  H20  =  Fe(OH)3(s)  +  H + +  e.  (7)

Подводить итог, шоу Рис. 1A и B, что, когда все химические реакции, вовлекающие  железо, в равновесии, железной растворимостью управляет осаждение Fe (О), 3 в окислении  и основных мягко уменьшающих  условиях. В сильном сокращении условий  и в кислотных решениях, железной растворимостью управляет смещение пирита. Между пиритом и Fe (О), 3 полевого железного железа довольно разрешимо  в кислотных водах. Но когда pH фактор превышает приблизительно 7, растворимостью равновесия управляет siderite осаждение. Степень, до которой будут фактически ускорены пирит, siderite и Fe (О), 3, зависит  от реакции kinetics и непринужденности образования ядра.

 

 

Область исследования

Восточная половина Норфолка, включая  область исследования, состоит из плато, находящегося между 20 и 90 м над  уровнем моря и клонящегося мягко  к юго-востоку. Плато анализируется  реками Буре, Wensum, Yare и Waveney, которые  истощают в восточном направлении  к Северному морю. Вся область  лежится в основе мелом 450 м толщиной и опускающаяся приблизительно в  одной степени или меньше к  востоку. На востоке над мелом  лежит эоцен Глина Лондона, но по большей части Норфолка это  покрыто Плиоценом и четвертичными  песками, посыпает гравием и кассы. Сам мел - мелкозернистый белый известняк, хорошо соединенный и сломанный  в его верхних 50 м, в пределах которых  большая часть потока грунтовой  воды, как полагают, происходит. Карты  уровней грунтовой воды в мелу показывают, что грунтовая вода делится, примерно совпадают с топографическим  дренажом, делится (Институт Геологических  Наук 1976). Водоносный слой мела перезаряжается утечкой от лежания над депозитами ниже междуречий. Грунтовая вода вытекает из этих областей к местам сброса ниже главных долин. Таким образом  системы потока грунтовой воды и  поверхностные бассейны с дренажом приблизительно совпадающие в представлении  плана. Этот факт оправдывает выбор  речной зоны охвата как основная единица  для исследования грунтовой воды.

((РИС. 2. Топография и  грунтовая вода очерчивают в  верхнем дренаже Реки Буре. Незаштрихованный: земля ниже 50 м a.s.l.; свет заштриховал: 50-90 м; темный заштрихованный: более  чем 90 м. Ломаная линия: поверхностный  водораздел. Грунтовая вода очерчивает  в m a.s.l. Точки и шоу треугольников  пробовали буровые скважины Дрейфа  и Мела соответственно. Числа  ссылаются на Таблицу 2. Сетка  - 5-километровая Единая энергосистема.))

Верхний дренаж Реки Буре был выбран как являющийся представительным для  общих условий грунтовой воды в Восточном Норфолке (Рис. 2). С  областью c. 90 км 2 выше Itteringham, этот бассейн  в настоящее время развивается  Властями Англиан Уотер для речного  регулирования перекачкой грунтовой  воды, и следовательно много недавно  сверливших, глубоких буровых скважин  доступны исследованию. Бассейн состоит  из главной долины Реки Буре от Itteringham до Briston (Рис. 2) и много более мелких зависимых долин. Земля на северной оправе бассейна повышается до 90 м над уровнем моря, от которых поверхность плато падает на 50 м на юге и востоке. Это нежное облегчение лежится в основе Верхним Мелом и последовательностью четвертичных депозитов, состоящих из песков, и посыпает гравием в основе, над которой лежит меловая глина до в областях междуречья. Система долины моложе, чем до и сокращена через него, в основные пески и посыпает гравием. Мел не выставлен в пределах бассейна. Подчетвертичная поверхность мела нерегулярна (Рис. 3) и сокращена, в пределах дренажа Буре, глубокой долиной, заполненной четвертичными депозитами, бегущими в дуге от Вуда Даллинга к Itteringham. Это - одна из "туннельных долин", распространенных в Восточной Англии, и описало Лесистой местностью (1969). Заполнение состоит, главным образом, из глин и илов со случайным песком и слоями гравия. В его верхних притоках существующая система потока Буре следует за этой похороненной долиной, но главная долина вокруг Saxthorpe находится на юг его. В Itteringham современная долина снова лежит над толстыми депозитами дрейфа туннельной долины.

((РИС. 3. Контурная карта  Подчетвертичной поверхности Мела  в верхнем дренаже Реки Буре. Пункты - выбранные буровые скважины  в Мелу.))

Рисунок 2 показывает контуры уровней  грунтовой воды в мелу, основанном на изданных картах (Институт Геологических  Наук 1976; Восточные Власти Реки Суффолка и Норфолка 1971). Водоносный слой мела получает, перезаряжают в областях вокруг оправы бассейна, особенно вокруг Хемпстеда на севере, Свонтона Новерса  на западе и Guestwick, Вуде Даллинге и Хеидоне  на юге. Линии потока грунтовой воды сходятся на область вокруг Saxthorpe, где  есть несколько маленьких весен  на аллювиальном дне Долины Буре. В Saxthorpe мел заключен тонким (l-m) слоем  пережитого "мела замазки", и piezometric уровни на дне долины (№ 5, 6, Рис. 2) над  уровнем земли, подтверждая, что  это - зона выхода грунтовых вод. Ограниченные условия происходят в большой  части области исследования с "мелом  замазки", происходящим между мелом  надлежащие и лежащие пески, и  посыпает гравием, и переполняющиеся  буровые скважины также происходят в Briston (№ 4, Рис. 2) и в Вуде Даллинге (№ 3). Эти области восходящей утечки от мела до лежания над дрейфами отмечены событиями торфяных hydromorphic почв. В пределах четвертичных депозитов  более низкий песок и слои гравия часто заключаются, лежа над кассами. Ниже областей междуречья водные уровни в мелу ниже, чем в этих незначительных водоносных слоях дрейфа, подтверждая, которые перезаряжают к мелу, происходит на междуречьях утечкой от лежащих  формирований.