天然地下水的成因类型

Question

如题所述

Answer 1

不同领域的学者，目前得出了比较一致的认识，认为地球上的水圈是原始地壳生成后，氢和氧随同其他易挥发组分从地球内部圈层逸出而形成的。因此，地下水起源于地球深部圈层。从形成地下水化学成分的基本成分出发，可将地下水分为三种主要成因类型：溶滤水、沉积水和内生水。

4.2.1.1 溶滤水

富含CO₂与O₂的大气降水渗入地下形成的地下水，溶滤它所流经的岩士而获得其主要化学成分，这种水称为溶滤水。溶滤水的成分受到岩性、气候、地貌等因素的影响。

岩性对溶滤水的影响是显而易见的。石灰岩、白云岩分布区的地下水，

，Ca₂₊，Mg₂₊为其主要成分；含石膏的沉积岩区，水中

与Ca₂₊均较多；酸性岩浆岩地区的地下水，大都为HCO₃-Na型水；基性岩浆岩地区，地下水中常富含Mg₂₊；煤系地层分布区与金属矿床分布区多形成硫酸盐水。

虽然地下水的化学成分受到其流经的岩士的化学成分的影响，但是地下水的化学成分未必一定具有岩士的化学成分。岩士的各种组分，其迁移能力各不相同。在潮湿气候下，原来含有大量易溶盐类（如NaCl，CaSO₄）的沉积物，经过长时期充分溶滤，易迁移的离子淋滤比较充分，到后来地下水所能溶滤的主要是难以迁移的组分（如CaCO₃，MgCO₃，SiO₂等）。因此，在潮湿气候区，尽管原来地层中所含的组分很不相同，有易溶的与难溶的，但其浅表部在丰沛降水的充分淋滤下，最终浅层地下水很可能都是低矿化重碳酸盐水，难溶的SiO₂在水中占到相当比重。另一方面，干旱气候下平原或盆地的排泄区，由于地下水将盐类不断携来，水分不断蒸发，浅部地下水中盐分不断积累，不论其岩性有何差异，最终都将形成高矿化的氯化物水。从大范围来说，溶滤水的水质主要受控于气候，显示受气候控制的分带性。

地形因素往往会影响气候控制的水质分带性。这是因为在切割强烈的山区，流动迅速、流程短的局部地下水系统发育，地下水径流条件好，水交替迅速，即使在干旱地区也不会发生浓缩作用，因此常形成低矿化的以难溶离子为主的地下水。地势低平的平原与盆地，地下水径流微弱，水交替缓慢，地下水的矿化度与易溶离子含量均较高。

干旱地区的山间堆积盆地，气候、岩性、地形表现为统一的分带性，地下水水化学分带也最为典型。山前地区气候相对湿润，颗粒比较粗大，地形坡度也大；向盆地中心，气候转为十分干旱，颗粒细小，地势低平。因此，水化学分带的总趋势是从盆地边缘洪积扇顶部的低矿化重碳酸盐水，到过渡地带的中等矿化硫酸盐水，盆地中心则是高矿化的氯化物水。

绝大部分地下水属于溶滤水（表4.2）。这不仅包括潜水，也包括大部分承压水。位置较浅或构造开启性好的含水系统，由于地下水径流途径短，流动相对较快，溶滤作用发育，多形成低矿化的重碳酸盐水。构造较为封闭的、位置较深的含水系统，则形成矿化度较高、易溶离子为主的地下水。同一含水系统的不同部位，由于径流条件与流程长短不同，水交替程度存在差异，从而可能出现水平的或垂向的水化学分带（王大纯等，1995）。

表4.2 地下水样品水化学资料　单位：mg/L

注：水样1的pH=5.7。水样2的Br^-含量为0.22mg/L；I^-含量为0.02mg/L；Sr²⁺含量为12.7mg/L；Ba²⁺含量为0.035mg/L；F^-含量为4.01mg/L；水温为39℃。水样3的Br^-含量为1453mg/L；I^-含量为24mg/L；Li⁺含量为50mg/L；Sr²⁺含量为212.5mg/L；Ba²⁺含量为2389mg/L；B₂O₃含量为287.2mg/L。水样4的F^-含量为0.39mg/L。水样5的SiO₂含量为17.2mg/L。

4.2.1.2 沉积水

沉积水是指大体与沉积物沉积时同时生成并保留下来的古地下水。冲积相、湖积相、海相沉积物中的水具有不同的原始成分，被后来的沉积物覆盖封存后在漫长的地质年代中水质又经历了一系列复杂的变化，形成现今所能见到的同生沉积水。海相地层中的沉积水来源于古海水，陆相地层中的沉积水来源于古大气降水。大多数沉积水都是矿化度高的咸水或卤水，通常分布于各种沉积盆地内。

海相地层（包括蒸发岩和碳酸盐岩等）沉积水是古海水经过蒸发浓缩及一系列化学作用和生物化学作用而形成的。海水是矿化度约为35g/L的Cl-Na型水。由于经历一系列后期变化，海相地层沉积水与海水比较有以下不同：①矿化度很高，最高可达300g/L以上；②

减少乃至消失；③Ca₂₊的相对含量增大，Na⁺的相对含量减少；④富集溴、碘，碘的含量升高尤为显著；⑤出现H₂S，CH₄，铵，氮；⑥pH值增高。海相沉积水矿化度的增大，一般认为是海水经历了强烈的蒸发浓缩作用所致。脱硫酸作用使原始海水中的

减少以至消失，出现H₂S，水中

增加，水的pH值升高。

增加与pH值升高，使一部分Ca₂₊，Mg₂₊与

作用生成CaCO₃与MgCO₃沉淀析出，Ca₂₊与Mg₂₊减少。甲烷、氨、氮等是细胞与蛋白质分解以及脱硝酸作用的产物。溴与碘的增加是生物富集并在生物遗骸分解时进入水中所致。海相同生沉积水的典型例子是四川盆地深部的中三叠统雷口坡组和下三叠统嘉陵江组碳酸盐岩中的地下卤水。

陆相地层（各种砂岩为主）中的沉积水是古大气降水封存在沉积物中经过长期复杂演变而形成的，多是矿化度高的卤水（表4.2 水样3）。陆相沉积卤水有以下基本特点：①矿化度较高，每升达几十克到300克左右；②Ca₂₊的含量增大，每升达数克到数十克；③水化学类型以Cl-Na·Ca型为主，少数为Cl-Ca型；④富含Li₊，Sr₂₊，Ba₂₊，溴，碘等微量组分。陆相地层（以砂岩和泥页岩为例）在成岩过程中受到上覆岩层压力而被压实时，其中所含的水一部分仍保留于砂岩中，在泥页岩中的另一部分水被挤压进入颗粒较粗且不易压密的砂岩层。在砂岩和泥页岩互层的陆相地层中，上覆岩层压力使下部砂岩的水通过泥页岩进入上部的砂岩中，泥页岩可以起到“隔膜渗滤”作用（周训等，2010），使更多的离子组分滞留在下部砂岩中，结果是沉积卤水的矿化度随砂岩的埋深而升高。

埋藏在海相地层或陆相地层中的沉积水，在经历若干时期以后，由于地壳运动而被剥蚀出露地表，或者由于开启性构造断裂使其与外界连通，经过长期入渗淋滤，沉积水有可能完全排走，而为溶滤水所替换（表4.2水样2）。在构造开启性不十分好时，则在补给区分布低矿化的以难溶离子为主的溶滤水，较深处则出现溶滤水和沉积水的混合，而在深部仍为高矿化的以易溶离子为主的沉积水。

4.2.1.3 内生水

早在20世纪初，曾把温度较高的地下水看作是岩浆分异的产物。后来发现，在大多数情况下，温泉是地下水接受大气降水入渗补给循环到深部获得加热后再上升到地表形成的。近年来，某些学者通过对地热系统的热均衡分析认为，仅靠浅部水渗入深部获得的热量无法解释某些高温水的出现，认为应有10%～30%的来自地球深部层圈的高热流体的加入。这样，源自地球深部层圈的内生水说又逐渐为人们所重视。有人认为，深部高矿化卤水的化学成分也显示了内生水的影响。

内生水的典型化学特征至今并不完全清楚。苏联某些花岗岩中包裹体溶液是矿化度为100～200g/L的Cl-Na型水。冰岛玄武岩区的热蒸汽凝成的水，是TDS为1～2g/L的HS·HCO₃Na型水，含有大量SiO₂和CO₂。内生水的研究迄今还很不成熟，但由于它涉及地下水科学乃至地质学的一系列重大理论问题，因而在今后地下水科学的研究领域将有可能向地球深部圈层扩展，人们将会更加重视内生水的研究。