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研究生:賴昱劭
研究生(外文):Lai,Yu-Shao
論文名稱:大屯山北磺溪集水區之水化學研究及水文學應用
論文名稱(外文):Research of hydrochemistry and application of hydrology,North Haunghsi in Tatung Volcano group, Taiwan
指導教授:呂學諭
指導教授(外文):Lu,Hsueh-yu
口試委員:劉台生陳文福
口試委員(外文):Liu,Tai-shengChen,Wen-fu
口試日期:2011/07/13
學位類別:碩士
校院名稱:國立中正大學
系所名稱:應用地球物理研究所
學門:自然科學學門
學類:地球科學學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2011
畢業學年度:99
語文別:中文
論文頁數:92
中文關鍵詞:稀土元素水文學水化學
外文關鍵詞:Rare Earth Elementhydrologyhydrochemistry
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水體的地球化學特性通常因水體來源、水體內的地化反應、與岩石間的水-岩反應而有所不同,因此,透過水體地球化學特性,可以解析水體形成的過程。然而,水體中的主要成分,不但來源複雜,且易受地化反應影響而改變,較難據之判釋水體的演化歷史。相反地,水中的稀有成分則來源單一,並且容易掌握相關的地化反應,非常適合用來做為判釋水體演化的示蹤劑,在本研究中,利用水中的稀土族元素做為示蹤劑來推估台灣北部大屯山區磺溪的水文概況。
磺溪位於大屯火山群中,雖然大屯火山群為休火山,但因後火山作用活動旺盛,溫泉與噴氣口林立,高溫溫泉與蒸氣與大屯火山岩體反應,致使其中富含稀土族元素,並被帶到地表,甚至也使天水帶有極微量的稀土族元素。當溫泉、天水及補注至磺溪中,將會使得溪流中稀土元素之濃度因兩者的比例而有所改變。據此,可以利用天水以及磺溪不同流域所測得之稀土元素濃度去計算和模擬混合比例,藉此得知磺溪流域內天水及溫泉補注的情形。
本研究利用ICP-MS進行主要元素、次要元素、微量元素以、稀土族元素及硼同位素的定量測定。利用離子層析儀分析F-.、Cl-、Br-、PO43-、NO3-、SO42-等陰離子之含量。將水體稀土族元素分析結果與當地安山岩比較後,發現兩者具有極為相似的趨勢,顯見水體中的稀土族元素確實源自於當地的安山岩體。再者,稀土族元素的分布大致由上游至下游遞減,顯見稀土元素因天水補注而受到稀釋,然而此一遞減趨勢至平原區隨即消失且呈現穩定的狀態,判斷是因磺溪的主要補注區在山區所致,此與一般河川的補注行為一致。
由於質量數較重的稀土族元素所受的分化作用較為輕微,在本研究中可用利計算天水與溫泉在磺溪中的混合比例。
除此之外,分析結果中還是有一個平原區的水體具有極低稀土族元素含量,與上述趨勢不合,另一個平原區的採樣點則在不同季節具有差異極大的水質特性,因此推測天水可能經由裂隙補注磺溪,且這些裂隙會因季節而有不同的水體來源。此一結論亦可印證磺溪的主要補注在山區的推論,由於山區具有較多的裂隙可做為磺溪的補注源。再者,在下游平原區的一個支流採樣點稀土族元素的趨勢及硼同位素比值與天水相同,因此我們判斷這條支流的水體來源為天水,然而磺溪的稀土族元素濃度並未因此支流的匯入而降低,顯見此支流對磺溪流量的貢獻極微。
根據以上的結果,稀土族元素確可做為良好的示蹤劑,藉此可用來評估集水區的水文系統概略。

The geochemical properties of hydrothermal waters are generally characterized by the water-rock interaction due to high water temperature. Therefore, the hydrochemical evolution through flow path can be an excellent indicator for hydrologic research. Generally, the evolution of major components in waters is complicated by multiple sources and considerable mass transfer due to mineral precipitation/dissolution. On the contrary, trace elements are dissolved into waters from specific minerals and are generally modified by limited geochemical processes. In this study, rare earth elements (REEs) are applied as the natural tracers to depict the hydrologic system of Tatung Volcano, Taiwan. Tatung Volcano is not active since late Pleistocene but the post-volcanic activities, such as hot spring and sulfur gas, still widespread around the volcano province. Huanghsi River is the main watershed system in Tatung Volcano. According to the results of ICP-MS analysis, the stream water shows considerable abundance of REE. The normalized REE pattern is slightly depleted in light REEs (LREE) and becomes flat for heavy REEs (HREE). In addition, the pattern is very similar to those of local andesites in the watershed. These results demonstrate that REEs in Huanghsi River and hot springs inherit from local andesites due to water-rock interaction. Because the water samples with high abundance of REEs are all located in the upstream area, it is plausible that Huanghsi River is recharged with low-REE water along the main channel. Once the river leaves the mountain area, the abundances of REEs in the river keep roughly constant around 3.64 ppb, which means that there is no considerable recharge in the plain area. Heavy REEs show no or only very weak fractionation and are utilized to calculate the amount of recharge with two-end-member system of REEs. The calculated recharge ratios can also be confirmed by the PHREEQC geochemical modeling. These results demonstrate that the trace elements in waters can be used as natural tracers.
目錄
論文考試審定書 1
授權書 2
誌謝 3
中文摘要 4
Abstract 6
圖目錄 7
表目錄 9
1.1 研究動機 12
1.2研究區域與前人研究 13
1.3 樣本採集 15
1.3.1 水樣 15
1.3.2 河床沉澱樣本 23
第二章 水化學模擬 24
第三章 儀器分析 27
3.1 樣本來源 27
3.1 現場攜帶型水質分析器 27
3.2 滴定法 28
3.3 離子層析儀 31
3.4 感應耦合電漿質譜儀 35
3.5 X光繞射分析儀 46
3.5.1 原理 46
3.5.2 分析方法 46
第四章 結果與討論 48
4.1 基本水質分析 48
4.1.1 一般水質 48
4.1.2 IC與ICP-MS分析結果 54
4.1.3 水質菱狀圖(Piper Diagram) 57
4.1.4 水質剖面 61
4.2 沉澱礦物分析 69
4.3 水體礦物相飽和指數分析 71
4.4 稀土族元素 78
4.4.1 水體中稀土族元素的來源 79
4.4.2 溫泉中的稀土族元素 88
4.4.3 河川水文分析 91
第五章 結論 98
參考文獻 100

參考文獻
中文部分
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