Question

沉积成因水水化学成分的形成

Answer 1

沉积成因地下水的化学成分很不相同，其化学成分的形成机理也是相当复杂的，要完全解释清楚某种沉积成因水的化学成分形成过程是很难的事。为此，仅从影响该类型地下水化学成分形成的一些作用着手，并结合一些实例加以说明。

（一）蒸发浓缩作用

沉积物可分为海相和陆相两类沉积物。但是，正如上述所说的，在漫长的地质历史时期里，与沉积物同期生成的水，在经历了从压实到成岩以及各种构造运动的过程中，这些水可能已经迁移出原来的沉积地层（也可能保留在原沉积地层），因此，要判别某种沉积水是海相成因的，还是陆相成因的，不能仅从目前赋存这种水的地层去判断，因为海相地层可能有陆相沉积水，而陆相地层有海相沉积水。

人们在判断是否是海相成因的沉积水时，常常依据海水浓缩过程中残余海水的水化学特征来判断。表3.8是海水蒸发不同阶段某些离子浓度的变’化。从CaSO₄至MgCl₂沉淀阶段，微量元素Br、Li、B、Rb等随浓缩阶段的不断进行，它们在残留海水的浓度也不断增加，其中以Br^-最明显，它是基本上不参与岩石基质成岩作用的唯一离子。溴在浓缩的各个阶段不会形成含溴的矿物，但它是NaC1的类质同像元素，混合在NaC1里，但在残留海水中的Br^-仍占大多数，为86%。因此水中Br^-的浓度可作为海水浓缩程度的标志。例如，奇斯托夫斯基（А.И.Чистовский，1983）^〔10〕曾按地层水中Br^-的浓度进行沉积水矿化度的恢复工作，他以前苏联古比雪夫地区的列比亚日那1号井为例，该井水矿化度为165g/L;Br^-为85mg/L。假定原海水矿化度为36g/L;Br^-为60mg/L，则沉积水的原始矿化

表3.8　海水蒸发浓缩不同阶段某些膏子的浓度

注：CaSO₄—MgCl₂代表CaSO₄至MgCl₂沉淀阶段，表中离子浓度是指该沉淀阶段后残留海水中的浓度。度为36×85÷60=5lg/L，但井水中的矿化度（165g/L）大于此浓度，他认为是上覆地层岩盐淋滤进入该地层的结果，

（二）阳离子交换作用

按苏林分类，γ_Na/γ_Cl＜1，

属氯化钙型水，他认为，这种类型的地下水是深部环境中的地下水。尽管在花岗岩风化裂隙潜水、盐渍化灌溉区及青海一些湖泊也有氯化钙型水，但是，在封闭性好的厌气深部地下环境中，特别油气田地下水，广泛出现氯化钙型地下水。

关于氯化钙型地下水的形成，到目前为止，仍然存在着各种学说，诸如沉积说、渗入说、内生说、重力分异说等等，其中沉积说获得比较多的学者的支持。在沉积说中又以阳离子交换的解释比较普遍。所谓沉积说，实质是指氯化钙型水在海盆沉积过程中由氯化物盐水及卤水演化形成的。

在海盆沉积物中，含有大量的氯化物盐水和卤水，Na⁺浓度很高，当这种沉积水遇到交换性钙离子的沉积物时，就会产生Ca-Na阳离子交换，结果，固相的Ca²⁺转入液相，而液相的Na⁺转入固相，使沉积水中Ca²⁺增加，其反应如下：

水文地球化学基础

式中，Cax和Nax是吸附在固相上的离子。由于两个钠离子交换1个钙离子，因此，交换反应的结果使水中矿化度有所降低。从理论上讲，上述反应可以形成氯化钙型水。但是值得注意的是，海盆沉积物富含交换性钠，并不富含交换性钙，因此，海盆沉积物中的沉积水在压实到成岩过程中，运动到富含交换性钙的陆源沉积物孔隙中时i上述反应才能进行：否则不会产生Ca-Na交换反应所形成的氯化钙型水。

关于氯化钙型水的形成阶段问题，尚有不同观点。Г·Н·卡明斯基及AjH.布涅耶夫认为，变质作用是在海盆中进行，经过变质后的水再受到埋藏封存；H·B·塔吉耶娃认为，海水在淤泥沉积阶段中经受变质，然后再封存起来；B·A·苏林认为，变质作用在深部环境中，水的矿化度是由于地下水蒸发的结果而增高。

从理论上讲，陆缘海发生海退时，富含Ca²⁺的陆源水进入海退不久的地方，与富含交换性钠离子的海相粘土质沉积物产生Ca-Na交换，即液相的Ca²⁺与固相中的Na⁺产生交换，这种交换不会形成氯化钙型水。与此相反，海侵时，富含Na⁺的海水与富含交换性Ca²⁺的陆源沉积物产生Na-Ca交换，即液相中的Na⁺与固相中的Ca²⁺产生交换，这种反应可形成氯化钙型水。

总之，用阳离子交换机理去解释沉积成因的氯化钙型水的形成时，应进行具体的综合的分析，不能武断地下结论。

（三）次生白云岩化作用

在古盐盆中，石盐沉淀后，残余卤水具有氯化镁质成分，这些含镁高的卤水在深部环境中，与石灰岩相互作用，并使其变为白云岩，这种作用称为次生白云岩化作用，其反应如下：

水文地球化学基础

反应的结果，使氯化镁质卤水变为氯化钙型卤水。

为了证实上述理论，一些学者进行了与此有关的试验。Н·К·弗拉索娃和M·r·亚利亚什柯进行了下列试验：在150℃及200℃温度下，使氯化镁质溶液与固体碳酸钙反应，结果溶液中的镁为固相中的钙所代替，而原始溶液及最终溶液中钠的含量无变化；在200℃时，固相物质主要为白云石，而这时所得的溶液与依尔库茨克的天然氯化钙型卤水相似。Г·И·基欣及C·И·巴霍莫夫进行了另外的试验：海水与含碳酸钙的岩石作用，温度为20℃—100℃时，不形成CO₂，镁在海水中的浓度不显著降低；温度高于100℃时，可观测到海水中镁浓度急剧下降，而钙增加，并放出游离CO₂；不含碳酸盐的岩石与海水作用，水中镁含量未显示影响。上述实验证明，次生云岩化作用发生于100℃以上的温度条件下。尽管岩石学家认为次生白云岩化作用分布有限，但应用它来解释沉积成因的氯化钙型卤水还是有用的。

（四）钠长石化作用

人们发现，氯化钙型卤水不仅在白云岩中遇到，同时也出现于火山成因的沉积物里。对于这种卤水有人以钠长石化解释。他们认为，进行钠长石化作用时，斜长石结晶格架中的Ca²⁺和A1^3＋相应被卤水中的Na⁺和Si⁴⁺所代替，使钙长石转化为钠斜长石。在受压的条件下，从能量的角度出发，这种解释是合适的，因为，Ca²⁺和A1³⁺的离子半径（分别为1.04×10^-8cm和0.57×10^-8cm）比Na⁺和Si⁴⁺的离子半径（分别为0.98×10^-8cm和0.39×10^-8cm）要大，其反应如下：

水文地球化学基础

（五）胶体状淤泥沉积物的各种作用

海相沉积物有陆源泥砂的堆积、海水沉淀所产生的化学沉积及生物堆积，其中沉积成因地下水成分形成最有意义的是胶体状淤泥沉积物，这种沉积物含有大量的有机物和各种微生物，是一个十分有利于生物化学及物理化学作用的场所。因此有的学者认为，沉积成因地下水的形成在海盆沉积初期就开始了。表3.9归纳了各种作用对淤泥溶液成分改变的影响。各种作用影响的结果使淤泥水成分发生改变：

减少

增多，pH增高；阳离子中Na⁺和Mg²⁺有所减少，形成灰岩或白云岩；水中出现H₂S。

表3.9　淤泥溶液成分改变一览表（与海水相比）

海洋研究的大量资料表明，存在着三种化学成分有明显差别的淤泥水：

（1）第一种：个别元素有微小变化，但总体上仍保持海洋型的氯化物－〔硫酸盐〕—钠—镁水；它分布最广，世界大洋的大部分面积属此类淤泥水。

（2）第二种：几乎不含硫酸盐的碱性氯化物淤泥水；它的分布是局部的，一般在富含有机物的海洋边缘、陆缘海盆的沉积物中，也可以在内陆海沉积物的表层中。

（3）第三种：几乎不含硫酸盐的氯化物—钠—钙水l它主要分布于内陆海的深层沉积物中。

淤泥水化学成分的改变仅是在沉积早期，当淤泥受上覆沉积物压力而压实时，相当一部分淤泥水被压出而进入孔隙较大的沉积物中，其化学成分还要进一步改变。但是，在研究沉积成因的地下水时，不可不注意沉积早期淤泥水的化学成分。

总之，以上仅阐述了海相成因沉积水形成过程中的一些作用，有些作用在陆相成因沉积水形成过程中也可能出现。实际上，沉积成因地下水化学成分形成过程是相当漫长的，其经历的各种作用也是十分复杂的，要把它的形成过程阐述清楚难度很大。在研究这个问题时，不仅涉及水本身，而且涉及岩相古地理、构造特点及发展历史，以及古水动力场的演变等等。深层卤水及油气田中油田水方面的研究，在沉积成因地下水的研究方面作了许多工作，读者要深入了解这方面的问题，可参阅有关文献。