Question

天然地下水化学组分的形成作用

Answer 1

大气降水和地表水在进入地表以下之前，已经含有某些物质，在进入地下包气带和饱水带与岩土接触后进一步发生变化。所以，地下水的化学成分与原来补给水的化学成分有着很大的不同。

4.2.2.1 溶滤作用

在水与岩土相互作用下，岩土中一部分物质转入地下水中，这就是溶滤作用。溶滤作用的结果，使岩土失去一部分可溶物质，地下水则补充了新的组分。

水是由一个带负电的氧离子和两个带正电的氢离子组成的。由于氢和氧分布不对称(图4.1)，在接近氧离子一端形成负极，氢离子一端形成正极，成为偶极分子。岩土与水接触时，组成结晶格架的盐类离子，被水分子带相反电荷的一端所吸引;当水分子对离子的引力足以克服结晶格架中离子间的引力时，离子便脱离晶架，被水分子所包围而溶入水中(图4.2)。

实际上，当矿物盐类与水溶液接触时，同时发生两种方向相反的作用:溶解作用与结晶(沉淀或析出)作用。前者使离子由结晶格架转入水中，而后者使离子由溶液中固着于晶体格架上。随着溶液中盐类离子增加，结晶作用加强，溶解作用减弱。当同一时间内溶解与析出的盐量相等时，溶液达到饱和。此时，溶液中某种盐类的含量即为其溶解度。

图4.1 水分子结构示意图(据王大纯等，1995)

图4.2 水溶解NaCl晶体示意图(据王大纯等，1995)

图4.3 盐类溶解度和温度的关系(据王大纯等，1995)

对于不同盐类，其结晶格架中离子间的吸引力不同，因而具有不同的溶解度。

随着温度上升，结晶格架内离子的振荡运动加剧，离子间引力削弱，水的极化分子易于将离子从结晶格架上拉出。因此，盐类溶解度通常随温度上升而增大(图4.3)。但是，某些盐类例外，例如Na₂SO₄·10H₂O在温度上升时，由于矿物结晶中的水分子逸出，离子间引力增大，当溶解度上升到一定值后，溶解度随温度升高反而降低;CaCO₃及MgCO₃的溶解度也随温度上升而降低，这与后面所提到的脱碳酸作用有关。

溶滤作用的强度，即岩土中的组分转入水中的速率，取决于一系列因素。

首先取决于组成岩土的矿物盐类的溶解度。显然，含盐岩沉积物中的NaCl将迅速转入地下水中，而以SiO₂为主要成分的石英岩，是很难溶于水的。

岩土的空隙特征是影响溶滤作用的另一因素。缺乏裂隙的致密基岩，水难以与矿物盐类接触，溶滤作用便无从发生。

水的溶解能力决定着溶滤作用的强度。如前所述，水对某种盐类的溶解能力随水中该盐类浓度增加而减弱。某一盐类的浓度达到其溶解度时，水对此盐类便失去溶解能力。总的来说，低矿化水溶解能力强而高矿化水溶解能力弱。

水中CO₂，O₂等气体成分的含量决定着某些盐类的溶解能力。水中CO₂含量愈高，溶解碳酸盐及硅酸盐的能力愈强。O₂的含量愈高，水溶解硫化物的能力愈强。

水的流动状况是影响其溶解能力的一个关键因素。流动极慢接近停滞的地下水，随着时间推移，水中溶解盐类增多，CO₂，O₂等气体耗失，最终将失去溶解能力，溶滤作用便告终止。地下水流动迅速时，矿化度低的、含有大量CO₂和O₂的大气降水和地表水，不断入渗更新含水层中原有的溶解能力降低了的水，地下水便经常保持强的溶解能力，岩土中的组分不断向水中转移，溶滤作用便持续地进行着。由此可知，地下水的径流与交替强度是决定溶滤作用强度的最活跃最关键的因素。

不应将溶滤作用等同于纯化学的溶解作用。溶滤作用乃是一种与一定的自然地理与地质环境相联系的历史过程。经受构造变动与剥蚀作用的岩层，接受来自大气圈及地表水圈的入渗水补给而开始其溶滤过程。设想岩层中原来含有包括氯化物、硫酸盐、碳酸盐及硅酸盐等各种矿物盐类。开始阶段，氯化物最易于由岩层转入水中，而成为地下水中主要化学组分。随着溶滤作用延续，岩层含有的氯化物由于不断转入水中并被水流带走而贫化，相对易溶的硫酸盐成为迁入水中的主要组分。溶滤作用长期持续，岩层中保留下来的几乎只是难溶的碳酸盐及硅酸盐，地下水的化学成分当然也就以碳酸盐及硅酸盐为主了。因此，一个地区经受溶滤作用愈强烈，时间愈长久，地下水的矿化度愈低，愈是以难溶离子为其主要成分。

除了时间上的阶段性，溶滤作用还显示空间上的差异性。气候愈是潮湿多雨，地质构造的开启性愈好，岩层的导水能力愈强，地形切割愈强烈，地下径流与水交替愈迅速，岩层经受的溶滤便愈充分，保留的易溶盐类便愈贫乏，地下水的矿化度愈低，难溶离子的相对含量也就愈高。

4.2.2.2 浓缩作用

溶滤作用将岩土中的某些成分溶入水中，地下水的流动又把这些溶解物质带到排泄区。在干旱半干旱地区的平原与盆地的低洼处，地下水位埋藏浅，蒸发成为地下水的主要排泄去路。由于蒸发作用只排走水分，盐分仍保留在余下的地下水中，随着时间延续，地下水溶液逐渐浓缩，矿化度不断增大。与此同时，随着地下水矿化度升高，溶解度较小的盐类在水中相继达到饱和而沉淀析出，易溶盐类(如NaCl)的离子逐渐成为水中主要成分。

设想未经蒸发浓缩前，地下水为低矿化水，阴离子以HCO^－₃为主，居第二位的是SO^2－₄，Cl^－的含量很小，阳离子以Ca²⁺和Mg²⁺为主。随着蒸发浓缩的进行，溶解度小的钙、镁的碳酸盐部分析出，SO^2－₄及Na⁺逐渐成为主要成分。继续浓缩，水中硫酸盐达到饱和并开始析出，最后便将形成以Cl^－，Na⁺为主的高矿化水。

产生浓缩作用必须同时具备下述条件:①干旱或半干旱的气候;②低平地势控制下较浅的地下水位埋深;③有利于毛细作用的颗粒细小的松散沉积物;④地下水流动系统的势汇(排泄)处。最后一个是必备的条件，因为只有水分源源不断地向某一范围供应，才能从别处带来大量的盐分，并使之集聚。干旱气候下浓缩作用的规模从根本上说取决于地下水流动系统的空间尺度以及其持续的时间尺度。

当上述条件都具备时，浓缩作用十分强烈，在有些情况下可以形成矿化度大于30～300g/L的地下咸水和地下卤水。

4.2.2.3 脱碳酸作用

水中CO₂的溶解度受环境的温度和压力控制。CO₂的溶解度随温度升高或压力降低而减小，一部分CO₂便成为游离CO₂从水中逸出，这便是脱碳酸作用。脱碳酸作用的结果，使地下水中HCO^－₃及Ca²⁺，Mg²⁺减少，矿化度降低，变化过程可用下式表示:

地下水科学概论

少数深部地下水上升形成的泉，在泉口附近往往形成钙华，这是脱碳酸作用的结果。由于脱碳酸作用使Ca²⁺，Mg²⁺从水中析出，泉水中阳离子通常以Na⁺为主。

4.2.2.4 脱硫酸作用

在还原环境中，当有有机质存在时，脱硫酸细菌能使SO^2－₄还原为H₂S，反应可用下式表示:

地下水科学概论

结果使地下水中SO^2－₄减少以至消失，HCO^－₃增加，pH值升高。

封闭的地质构造，如储油构造，是产生脱硫酸作用的有利环境。因此，某些油田水中出现H₂S，而SO^2－₄含量很低。这一特征可以作为寻找油田的辅助标志。

4.2.2.5 阳离子交替吸附作用

岩土颗粒表面带有负电荷，能够吸附阳离子。一定条件下，颗粒将吸附地下水中某些阳离子，而将其原来吸附的部分阳离子转为地下水中的组分，这便是阳离子交替吸附作用。

不同的阳离子，其吸附于岩土表面的能力不同，按吸附能力，自大而小的顺序为:H⁺>Fe³⁺>Al³⁺>Ca²⁺>Mg²⁺>K⁺>Na⁺。离子价愈高，离子半径愈大，水化离子半径愈小，则吸附能力愈大，H⁺则是例外。

当含Ca²⁺为主的地下水，进入主要吸附有Na⁺的岩土时，水中的Ca²⁺便置换岩土所吸附的一部分Na⁺，使地下水中Na⁺增多而Ca²⁺减少。

地下水中某种离子的相对浓度增大，则该种离子的交替吸附能力(置换岩土所吸附的离子的能力)也随之增大。例如，当地下水中以Na⁺为主，而岩土中原来吸附有较多的Ca²⁺，那么，水中的Na⁺将反过来置换岩土吸附的部分Ca²⁺。海水在陆相沉积物中入侵时，就可能发生这种情况。

显然，阳离子交替吸附作用的规模取决于岩土的吸附能力，而后者决定于岩土颗粒的比表面积。颗粒愈细小，比表面积愈大，交替吸附作用的规模也就愈大。因此，粘土及粘性土类沉积物最容易发生阳离子交替吸附作用，而在致密的结晶岩中，实际上不发生这种作用。

4.2.2.6 混合作用

成分不同的两种水汇合在一起，可以形成化学成分与原来两者都不相同的地下水，这便是混合作用。海滨、湖畔或河边，地表水往往混入地下水中;深层地下水补给浅部含水层时，则发生两种地下水的混合。

混合作用的结果，可能发生化学反应而形成化学类型完全不同的地下水。例如，当以SO^2－₄，Na⁺为主的地下水与HCO^－₃，Ca²⁺为主的水混合时，发生以下反应:

地下水科学概论

结果，石膏沉淀析出，形成以HCO^－₃及Na⁺为主的地下水。

两种水的混合也可能不发生明显的化学反应。例如当高矿化的Cl-Na型海水混入低矿化的HCO₃-Ca·Mg型地下水中，基本上不发生化学反应。这种情况下，混合水的矿化度与水化学类型取决于参与混合的两种水的成分及其混合比例。

4.2.2.7 人类活动的影响

近几十年来，随着经济的发展与人口的增长，人类活动对地下水化学成分的影响愈来愈明显。一方面，人类生活与生产活动产生的废弃物污染地下水;另一方面，人为作用大规模地改变了地下水形成条件，从而使地下水化学成分也发生变化。

工业生产的废气、废水与废渣以及农业上大量使用化肥农药，使天然地下水富集了原来含量很低的有害元素，如酚、氰、汞、砷、铬、亚硝酸等。

人为作用通过改变形成条件而使地下水水质变化表现在以下各方面。滨海地区过量开采地下水引起海水入侵，不合理打井开采地下水使咸水运移，这两种情况都会使水质良好的淡水含水层变咸。干旱半干旱地区不合理地引入地表水灌溉，会使浅层地下水位上升，引起大面积次生盐渍化，并使浅层地下水变咸。原来分布地下咸水的地区，通过挖渠打井，降低地下水位，使原来主要排泄去路由蒸发改为径流排泄，从而逐步使地下水水质淡化。在这些地区，通过引来区外淡的地表水，以合理的方式补给地下水，也可以使地下水变淡。

人类干预自然的能力正在迅速增强。因此，防止人类活动对地下水水质的不利影响，采用有效措施使地下水水质向有利方向演变，显得愈来愈重要(王大纯等，1995)。