水文地质学基础：地下水化学成分的形成作用

2.3地下水化学成分的形成作用
地下水主要来源于大气降水，其次是地表水（河、湖、彻等）。

这些水在进人含水层之前，已经含有某些物质，与岩土接触后再进一步发生各种物理化学及生物作用，使地下水的化学成分发生进一步变化。

使地下水化学成分发生变化的各种作用，称为地下水化学成分的形成作用。

2.3.1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，使岩土土失去一部分可溶物质，地下水则补充了新的组分。

实际上，当矿物岩类与水溶液接触时，同时发生两种方向相反的作用：溶解作用与结晶作用。

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，含岩盐沉积物中的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。

其次，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，溶滤作用也便无从发生。

第三，水的溶解能力决定着溶滤作用的强度。

水对某种盐类的溶解能力随该盐类浓度增加而减弱。

某一盐类的浓度达到其溶解度时，水对此盐类便失去了溶解能力。

因此，总的来说低矿化水溶解能力强而高矿化水溶解能力弱。

第四，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。

水中O2的含量愈高，溶解硫化物的能力愈强。

最后，水的流动状况是影响其溶解能力的一个关键因素。

流动停滞的地下水，随着时间的推移，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，含有大量CO2和O2的低矿化度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。

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。

溶滤作用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的岩层，接受来自大气圈及地表水圈的入渗补给而开始其溶虑过程。

设想，岩石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，由于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。

随着溶滤作用的延续，岩层含有的氯化物由于不断转入水中被带走而贫化，相对易容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容的碳酸盐及硅酸盐，地下水的化学成分当然也就是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，时间愈久，地下随的矿化度就愈低，愈是以难容离子为其主要成分。

2.3.2浓缩作用
流动的地下水把溶滤所得组分从补给区带到排泄区。

在干旱半干旱地区的平原与盆地的低洼处，地下水埋藏不深，蒸发称为地下水的主要排泄去路。

当水分蒸发时，盐分仍保留在余下的地下水中，则其浓度（即矿化度）相对增大，这种作用称为浓缩作用。

浓缩作用的结
果，除矿化度增加外，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，地下水位低矿化水，阴离子以HCO 3-为主，居第二位的是SO 42-，Cl -的含量很小，阴离子以Ca 2+、Mg 2+为主。

随着蒸发浓缩，溶解度小的钙、镁的重碳酸盐部分析出，SO 42-及Cl -逐渐称为主要成分。

浓缩作用继续，水中硫酸盐达到饱和并开始析出，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：干旱或半干旱的气候，低平地势下地下水位埋藏较浅的排泄区，有利于毛细作用的颗粒细小的松散土层。

这样，水流源源不断地带来盐分，使地下水和土壤累积盐分，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持续的时间尺度。

当上述条件都具备时，浓缩作用十分强烈，有的情况下可以形成矿化度大于300 g ／L 的地下咸水。

2.3.3 混合作用
成分不同的两种或多种水汇合在一起，形成化学成分不同的地下水，称为混合作用。

如海岸、湖畔、河边等、地表水往往混入地下水中；地下水补给浅部含水层时，则发生水的混合作用。

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，以SO 42-、Na +为主的地下水，与HCO 3- 、Ca 2+为主的水混合时：
Na 2SO 4+ Ca （HCO 3）2→ Ca SO 4 ↓+ Na HCO 3
石膏沉淀析出，便形成以HCO 3-、及Na +为主的地下水。

两种水的混合也可能不产生明显的化学反应。

例如当高矿化的氯化钠型海水混入低矿化的重碳酸钙镁型地下水中，基本上不产生化学反应，这种情况下，混合水的矿化度与化学类型取决于参与混合的两种水的成分及其混合比例。

2.3.4 阳离子交替吸附作用
岩土颗粒的表面常带有负电荷，能够吸附某些阳离子，而将其原来吸附的阳离子转为地下水中的组分，这就是为阳离子交替吸附作用。

如含硫酸钙或硫酸镁的地下水，在渗透过程中能交换海相粘土中的钠，其反应式如下：
224424()2()CaSO MgSO Na Na SO Ca Mg ++++⇔+
水 吸附 水 吸附
阳离子交换吸附作用的强弱和以下因素有关系。

不同的阳离子，其吸附于岩土表面的能力不同，阳离子的电价越高，则吸附能力越强；在同一电价中，被吸附性是随离子半径的增加而增大。

（H +是例外）。

例如，当以为Ca 2+主的地下水，进入主要吸附有Na +的岩土时，水中的Ca 2+便置换出岩土所吸附的一部分Na +，使地下水中a +增多，而Ca 2+减少。

根据K.K 格德罗伊茨的资料，阳离子吸附能力自大而小的顺序为：
3322H Fe AI Ca Mg K Na +++++++>>>>>>。

此外，地下水中某种离子浓度相对增大，则该种离子的交替吸附能力也随之增大。

例如，当地下水中以Na +为主，而岩土中原来吸附有较多的Ca 2+，那么水中的Na +将反过来置换岩
土吸附的部分Ca 2+、海水入侵陆相沉积物时，就是这样情况。

显然，阳离子吸附交替作用的规模取决于岩土的吸附能力，而岩土的吸附能力取决于岩土的比表面积。

颗粒愈细，比表面积愈大，交替吸附作用的规模也就愈大。

因此，粘上及粘土岩类最容易发生阳离子交替吸附作用，而在致密的结晶岩小，实际上不会发生这种作用。

2.3.5 脱硫酸作用
在还原环境中，当有机质存在时，脱硫酸细菌能使SO 42-还原为H 2S 这种作用称为脱碳酸作用。

其反应式如下：
--+→++32224222HCO S H O H C SO
脱硫酸作用的结果一方面，水中SO 42+减少以至消失；另一方面， HCO 3-增加，pH 值变大。

脱硫酸作用一般发生在封闭并有有机物存在的地质构造中，如储油构造，是产生脱硫酸作用的主要环境，因此油田水中出现H 2S ，而SO 42-减少以致消失，HCO 3-增加，pH 值变大。

这一特征可以作为寻找油田的辅助标志。

2.3.6 脱碳酸作用
水中CO 2的溶解度随温度升高或压力降低而减小。

当温度升高或压力降低时，一部分CO 2便会从水中逸出，这就是脱碳酸作用。

脱碳酸作用的结果是，水中HCO -3、Ca 2+、Mg 2+减少，矿化度降低，其反应式如下：
2232233()2()Ca Mg HCO CO H O CaCO MgCO ++-
+↑++↓ 岩溶地区溶洞内见到的石钟乳、石笋、石柱等现象，泉口的钙化，都是脱碳酸作用的结
果。

2.3.7 人类活动对地下水化学成分的影响
随着社会生产力与人口的增长，人类活动对地下水化学成分的影响也愈来愈大。

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发生变化。

工业产生的废气、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、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几方面：滨海地区过量开采地下水引起海水入侵，不合理打井采水使咸水运移，这两种情况都会使水质良好的淡含水层变咸；干旱半干旱地区不合理地引入地表水灌溉，会使浅层地下水水位上升，引起大面积的次生盐渍化，并使浅层地下水变咸。

原来地下咸水的地区，通过挖渠打井，降低地下水位，使原来的主要排泄去路由蒸发变为径流，从而逐步使地下水水质淡化。

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造成的不良影响，采用人为措施使地下水水质向有利的方向演变，已经变得愈来愈重要了。