元素（组份）进入地下水后的迁移

地下水中元素的迁移类型~

地下水中元素的迁移与富集是指元素在岩石圈和水圈之间发生的位移，即化学元素在地壳中的转移和再分配，它是整个元素迁移的一部分。与地下水活动有关的元素迁移，首先是岩石圈中含的各种组分向天然水中转移，使水中相对富集了某些元素，从而引起元素从高浓度处向低浓度处扩散迁移，或随着地下水对流迁移。元素在地下水中的位移，是水文地球化学研究中，寻找油气藏的理论基础的一部分。
地下水中元素迁移和富集，除了元素本身原子结构的固有性质所决定的内在因素外，还取决于外界的天然环境。
水圈和岩石圈中各种元素在地质历史的长河中，处于平衡和破坏平衡的交替运动中，从而引起元素的迁移和富集作用。地下水中元素迁移的方式和类型，按水流特征可分为扩散迁移和对流迁移两种基本类型。
1.扩散迁移
扩散迁移是分子布朗运动的一种现象，是均一体系中元素迁移的基本方式。元素通过扩散迁移产生微观的位移。扩散作用的动力是温度差、压力差和浓度差。在一个体系内，某元素或某种组分的浓度不均匀时，在浓度梯度作用下元素发生定向扩散，即地下水中的元素自动地从高浓度处通过含水岩系的孔隙或裂隙向低浓度处迁移，使体系内任一点的每种元素或组分浓度均一化，达到热动力平衡状态。所以扩散是一种体系内各部分浓度均一化的过程。它具有下列特点：
1)扩散是一个连续的物质迁移过程，在此过程中体系内元素的浓度发生连续的变化。
2)扩散时，介质不一定发生移动，体系内浓度梯度的存在是扩散的基本动力。
3)扩散的速度与浓度梯度成正比，因而随着距离增大而减小，即扩散服从菲克定律，即
Im=-Dm·Cg
式中：Im为扩散量(物质通过单位面积的数量)；Cg为物质的浓度梯度；Dm为分子扩散系数，cm2/s。
式中右边的负号，说明物质向浓度减小的方向扩散。
4)扩散作用受浓度、介质的黏滞性和孔隙度以及岩性等因素影响。
分子的扩散作用，不仅在液体静止时发生，而且在运动状态下同样也会发生，不但有沿运动方向上的横向扩散，还有垂直于运动方向的纵向扩散。
含油气盆地中地下水的化学成分同油气的生、运、聚、散一样，经历了复杂而漫长的水文地球化学演化过程。它在含油气盆地的发育过程中伴随着石油的生成而形成，经历了沉积、浅埋、深埋、变质及淋滤等水文地质历史发育阶段。由于它埋藏在封闭的还原环境里，与油气长期共存，元素之间的相互交换作用使其不断地改变着自己的原始成分和类型。我国陆相含油气盆地原始水化学成分，大部分属于含盐量较低的淡水或微咸水，只有个别为含盐量很高的咸水(表4-1)。
随着地质历史的发展，盆地水逐渐演化成有较高浓度和不同离子组成的油田水。应用现代淡水湖泊的水进行模拟试验，在常温、常压、室内自然蒸发条件下，各离子随含盐量的增加而增高。当含盐量达到现今油田水的浓度时，以Na+，Cl-和 的增加速率最大，其次是Mg2+和 ，而Ca2+增加最慢。如果再考虑脱硫等作用，那么在原始淡水的含油气盆地中，必然形成以Cl-， 和Na+为主的离子组合。在一个小的凹陷中，同样有使原始淡水高度浓缩的现象。水与围岩发生活跃的盐分交换，使沉积水化学成分重新分配和组合，发生正向变质，朝着含盐量增高的方向发展。这样，导致油田水化学成分与油田上方地下水化学成分之间，形成较大的浓度差，使油田水中的某些元素缓慢地向上移动，富集于浅层地下水中，形成水文地球化学异常区(带)。

表4-1 我国主要含油气盆地生油岩中Cl-含量

(据范璞等，1982)
2.对流迁移
对流迁移是物质在孔隙或裂隙岩石中，随着运动介质(地下水)一起迁移，由于渗流速度的影响，迁移较远。它是自然界引起物质运移的主要方式之一。
物质对流迁移的量与物质浓度和介质的运动速度有关，可用下式表示：
Ik=C·V
式中：Ik为物质对流迁移量；C为物质在地下水中的浓度或活度；V为运动介质(地下水)的渗流速度。
物质的对流迁移是很复杂的，因为地下水在多孔介质渗流时，实际流速的分布是很不均匀的，特别是在纵向上运动介质通过不同时代的含水层或非均质岩层时，更是如此。
物质的对流迁移在断陷式或断裂比较发育的含油气盆地中具有重要意义，是形成强度较大的浅层水文地球化学异常的主要迁移方式。如次生油气藏的形成和地表油气苗的出现等，多数是油气以断裂或不整合面为通道发生再运移的结果，或是由地下水携带直接排泄出地表而形成。而这些次生油气藏，一般埋藏较浅，对上部浅层含水岩系的水化学成分产生深远的影响，使地下水化学成分在纵向上呈现有规律的分布，或形成连续的水化学分散晕(见表3-7)。
准噶尔盆地的克拉玛依油田，发育一系列的高角度断层，深部的油田水化学成分沿着断裂带迁移，在断层附近的浅层地下水中形成较强的水文地球化学异常(图4-2)。

图4-2 水化学异常形成的地质构造背景

综上所述，地下水中同时存在着两种基本类型的物质重新分配机理，即扩散迁移和对流迁移，前者是由物质的浓度梯度引起的，后者是因水力梯度等因素的存在而发生，但两种迁移方式不是孤立进行的，而是有一定的内在联系。如地下水中元素向上迁移时，在压力梯度的作用下，物质(元素)沿着一定通道(构造面)发生整体黏滞性流动，并相继向围岩孔隙和微裂隙均匀渗透。此时，对流作用是主导的，扩散作用虽然已经发生，但是处于次要地位。随着时间的推移，压力梯度逐渐变小，趋于动平衡状态，而开放性裂隙、孔洞逐渐充满了溶液，含水岩系中较大规模的物质流动相对停止，此时，从裂隙到围岩因物质浓度梯度不同，而发生扩散迁移，从而取代了对流迁移。
对流和分子扩散在迁移中所占的优势可用贝克莱特(Peclet)数(Pl)来判别。

含油气盆地水文地质研究

式中：υ为渗透速度；d为表示多孔介质特征参数，在圆球形介质中做试验时，可取球粒直径；Dm为分子扩散系数。
很显然，根据Pl 可以判断物质在地下水圈中迁移类型：当Pl ＜n×10-2(n＜5)时，以分子扩散占优势；Pl ＞10时，以对流迁移占优势；n×10-2＜Pl＜10时，物质迁移具有混合性质。据经验资料，在粘土质岩中，当渗流速度大于10-6cm/d时，则以对流迁移占优势，扩散迁移次之(图4-3)。
从图4-3可以看出，在地下水交替比较活跃的地质构造范围内，物质迁移主要以对流迁移占优势。

图4-3 渗流和扩散状态的优势分布图

1—岩石中物质迁移场；2—地质构造内物质扩散场；3—活动水交替带；4—较活动水交替带；5—缓慢流动水交替带；6—极缓慢流动水交替带
物质迁出系数=扩散系数(D)/扩散带厚度(L)
冀中坳陷古近系含水岩系的发育过程和地下水的形成历史，可进一步说明深层地下水在纵向上的运动和物质的扩散-对流迁移在地质历史发展中是持续不断进行的。例如，冀中坳陷始新统含水岩系的埋藏条件为半封闭型的水文地质结构，由大气降水和地表水补给，随时间的推移，至渐新世末期，其裸露区已趋萎缩，地下水的补给区只限于坳陷边缘，而其内部 Es4。的裸露区已成为地下水的排泄带。渐新统(Es3，Es2，Es1)含水岩系，在古近纪末均是半封闭型的水文地质结构，就其地质历史发展而言，其半封闭程度由强变弱。新断裂、古断裂、边界断裂发育，切割或贯通了各含水层，使上下含水层发生水力联系。新近系和第四系含水层，基本上继承着渐新世末期的古水动力场，地下水接受周边山区(太行山和燕山)的降水和地表水补给，而深层地下水沿着新构造活动断裂带、裂隙向上传递热能，从而改变或影响着第四系地下水的温度、水文地球化学场及古水动力场，形成与深部流体有关的水文地球化学场。
在上述内在因素和外部条件的控制下，处于高温、高压环境的高浓度油田水中的组分，必然沿着一定的通道向低温、低压、低浓度的浅层地下水进行长期而缓慢的迁移，形成特殊的水文地球化学场。也就是说，在一定的深度范围内，由深到浅，存在着一个天然流体的“推挤-抽吸”系统。

在人类生存的环境中，水对化学元素（或组分）的迁移和富集起着重要作用。许多化学元素均以水为媒介进行迁移，在适宜的地质-地理环境中富集。元素的迁移是在各种物理化学作用下，使元素在水-岩（土）-气系统中分布达到平衡。元素的迁移具有可逆转性，包括元素从围岩、气体和生物体等转移到地下水的过程和再从地下水中转移到围岩、气体和生物体中的过程。这种转移过程是由于围岩中的地下水在赋存和运动中伴随着一系列作用，如分子扩散、渗透、吸附、离子交换、溶解和沉淀等，使地下水的成分和浓度发生变化。因为地下水元素迁移的方式、强度与存在形式受到元素的内在因素和外部地质环境的影响，所以使得地下水水质的形成环境更加复杂化和地下水化学类型多样性。由于地下水某种元素含量高或低，导致一些地方病如克山病、克汀病、大骨节病、甲状腺肿大、氟骨症等发生。因此，需要对原生地下水环境问题进行专项调查，包括高氟水、低碘水、富铁水、高砷水、高氡水、咸水和碱水等，查明分布范围及形成的机制（李家熙等，2000）。
高氟水：氟是生命必需的一种重要微量元素，在天然水中分布较广，其含量大于1.0mg/L者称之为高氟地下水。
低碘水：目前有关饮用水中的碘含量的标准尚无具体规定，一般认为不得小于10μg/L，最低不得小于5μg/L。通常认为水中碘含量在10～125μg/L之间为适宜饮用水源。
富铁水：地下水中铁含量超过饮用水质标准（0.3mg/L）时，水便产生浑浊，并具有铁锈味，称富铁地下水。
高砷水：饮用水质评价中以总砷（ ， ）作为评价标准，总砷含量小于0.05mg/L，符合饮用水标准。天然水中砷以砷酸盐（ ）和亚砷酸盐（ ）的形式存在，而在氧化环境中 更多地转变为 。这一转变可以大大地降低砷的毒性，所以，对地下水砷含量的研究，将对饮水水源的开发具有重要意义。
高氡水：划分氡异常水与非异常水的指标因地而异，结合我国广大地区水化学找矿资料和有关文献，提出的地下水中氡异常标准为：①潮湿地区，＞110～180Bq/L；②干旱及半干旱地区，＞110Bq/L；③氡在水中的含量与水点所在地区的自然底数之比为水氡异常系数，通常以水氡浓度等于或大于底数2～5倍者，为最低水氡异常系数。
咸水：“旱、涝、碱、咸”是农业区低产、多灾的根源。咸水分布区内存在的大量地下咸水，不仅加速了土壤积盐和盐渍化，而且削弱了土壤抗旱防涝的能力，是产生“旱、涝、碱、咸”灾害的主要内在因素之一。咸水以矿化度（M）为划分标准，即淡水，M＜1g/L；微咸水，1＜M＜3g/L；半咸水，3＜M＜5g/L；咸水，M＞5g/L。
碱水：碱性水是指地下水pH值大于8.3、钠离子的摩尔浓度百分数（SSp）大于90%的重碳酸钠型水（小苏打型水）和碳酸钠型水（苏打型水）。pH值为7.8～8.3、SSp在70%～90%之间的小苏打型水称为微碱性水。

（一）弥散迁移

首先通过两个实验模型，说明弥散迁移现象。

模型1：在一口井中瞬时注入某浓度的示踪剂，则在附近观测孔中，可以观察到示踪物质不仅随地下水一起运移，而且逐渐扩散开来，超出了仅按平均实际流速预计到达的范围。示踪剂不仅沿水流方向纵向扩散，还有垂直于水流方向的横向扩展，不同时刻示踪剂的浓度分布（图3-3）不存在陡峻的突变界面。这种现象称为弥散。

图3-3　示踪剂的纵向、横向扩展（据J.Bear,1979）

模型2：装满均质砂的圆柱形管，用水饱和，在某时刻（t=0）开始注入含有示踪剂浓度为c₀的水去驱替砂柱中不含示踪剂的水（原状水），在砂柱末端测量示踪剂的浓度变化〔如图3-4（a）〕。这是一维稳定流动。绘制示踪剂相对浓度

对时间t的曲线（称穿透曲线或传播曲线）〔图3-4（b）〕，曲线呈S形而不是图中虚线所示形状。以上事实也说明弥散现象的存在。因为如果没有弥散，示踪剂应该按水流的平均流速移动，含示踪剂的水和原状水的接触界面应该是陡峻的、突变的，即有一个以平均实际流速移动的直立峰面，曲线呈图3-4（b）中虚线所示形状。实际上，由于水动力弥散的结果，曲线呈“S”形。

图3-4　砂柱中一维稳定流的穿透曲线（据R.A.弗里泽J.A.彻里）

上述两个模型说明，在多孔介质中，两种不同成分的可以混溶的液体之间，存在一个不断加宽、浓度由高至低的过渡混合带，这种现象称为（水动力）弥散。形成弥散现象的作用，称为弥散作用。这是一个非稳定不可逆过程。由弥散作用引起的地下水中元素（组份）的迁移，称为弥散迁移。

弥散迁移主要是分子扩散迁移和机械弥散迁移。现分述如下：

1.分子扩散迁移

分子扩散是由于液体中所含溶质的浓度不均一，在浓度梯度的作用下，引起的溶质从高浓度向低浓度的定向扩散，以求浓度趋于均一的现象。分子扩散也可由温度差或压力差而产生。

当温度、压力一定时，由浓度梯度引起的纯分子扩散，可用斐克（Fick）线性定律描述：

水文地球化学基础

式中：

I_m——溶质在单位时间内通过单位面积的扩散量，量纲〔ML^-2T^-1〕，

gradc——溶质在溶液中的浓度梯度，量纲〔ML^-4〕；

D_m——分子扩散系数，表征该溶质在静止介质中扩散迁移的能力，其值相当于gradc=1时的扩散数量，量纲〔L²T^-1〕。

式中右边的负号，说明溶质向浓度减少的方向扩散。

不同溶质的扩散系数各不相同，其值取决于扩散介质的物理状态和性质、扩散溶质及存在于系统中的其它溶质的性质和浓度、温度和压力。据C.P.克拉依诺夫的资料，D_m的取值如表3-1。

温度对扩散的影响在于随温度增高，扩散系数增大。

分子扩散不仅在液体静止时有，在液体运动状态下也有。不但有沿运动方向的纵向扩散，还有垂直于运动方向的横向扩散（见图3-5）。

表3-1　物态与扩散系数的关系

分子扩散迁移在地层中进行得很缓慢，特别在粘性土层或浓度梯度很小的情况下更为缓慢。据Φ.M.鲍切维尔等的资料，在粘土或捣实的亚粘土组成的防护幕上做试验，其分子扩散引起的溶质迁移为：当防护幕的厚度为1—2m时，相对浓度

时，要经过5—25年，

时，也要经过4—14年（c₀为防护幕上面液体中某溶质的浓度；c为防护幕渗出的水中同一溶质的浓度）。

图3-5　分子扩散作用示意图

（a）纵向分子扩散效应；（b）横向分子扩散效应；（c）纵、横向同时存在的分子扩散效应

由此可见，元素在地下水中，由于分子扩散作用使溶质迁移的速度是很缓慢的，迁移的距离也是有限的。因此，如果研究近期（小于100a）的元素迁移问题时，分子扩散所起的作用是不大的，甚至可以忽略。但当研究的过程延续的时间以地质历史时期来衡量时，则分子扩散对地下水中元素的迁移，将起到重要作用。

2.机械弥散迁移

由于地下水在多孔介质中的渗流速度很不均匀，流速大的将溶质迁移得远，流速小的则迁移得近，这种由于实际流速（u）和平均流速

的差异而引起的溶质扩散迁移现象称为机械弥散（见图3-6）。由图可见，由于机械弥散作用，使示踪剂质点群不断向周围扩展，超出达西定律所表达的按平均流速预计的扩散范围。

图3-6　在粒状多孔介质中由机械弥散引起的稀释作用图解（据J.A.彻里等，1975）

通过对多孔介质中溶质迁移的理想模型研究，证实机械弥散也服从斐克（Fick）线性定律：

水文地球化学基础

式中：I_f——溶质在单位时间通过单位面积的弥散量，量纲〔ML^-2T^-1〕；

c——溶质在地下水中的浓度，mol；

——实际流速和平均实际流速，量纲〔LT^-1〕；]]

f——机械弥散系数，表征该溶质在运动介质中弥散迁移的能力，量纲〔L²T^-1〕；

其它符号意义同前。

机械弥散迁移可分为微观机械弥散迁移和宏观机械弥散迁移。

（1）微观机械弥散迁移

从微观上看，机械弥散的机制可有以下三种情况：

a.在多孔介质的单个孔管中，由于水溶液具有粘性，受介质孔壁的摩擦阻力的影响，使得靠近孔隙壁部分的水流速度趋近于零，向轴部流速逐渐增大，形成抛物面的实际流速分布〔图3-7（a）〕。管的中轴线处流速最大，溶质迁移得远。

图3-7　机械弥散的几种情况

b.由于空隙体积的大小不同，造成不同孔隙沿孔轴的最大流速各不相同，使溶质迁移的距离发生差异〔图3-7（b）〕。

c.由于空隙本身的弯曲，使质点的流线在沿水流方向上弯曲起伏的情况不同，从而造成溶质在流向上速度和迁移距离的差异〔图3-7（c）〕。

实际上这三种情况是同时发生的，综合起来形成微观机械弥散的机制。在引起横向机械弥散迁移时，除上述三种情况外，还与流线绕过岩石颗粒时，分支－合并有关（图3-8）。

图3-8的模型说明，随着水的流动，由于点状物质源的分支－合并作用，水中所含溶质的浓度有规律地持续降低（图中用数字清楚的表明了这一点），在峰面上各流束所含溶质的总和不变，形成中间浓度高，边缘浓度低的横向弥散。如果有几个流束或部分断面上含有溶质的流束进入时，同样可以形成分支－合并的横向弥散。

微观机械弥散迁移主要发生在均质岩石中。

（2）宏观机械弥散

在非均质岩层中，由于各部分的渗透速度不同，而引起的溶质迁移距离的差异，称为宏观机械弥散迁移。宏观机械弥散迁移的机制，原则上与微观机械弥散一样，仍是流速不均一所致，只不过研究的单元更大而已。

宏观机械弥散迁移的现象在自然界常见，例如，在渗透性不同的层状含水层中，溶质便沿渗透性好的岩层迁移得更快更远；在裂隙或溶隙宽度大小不等的岩层中，溶质沿宽大裂隙或溶隙迁移很快，而且迁移的距离也很远。

图3-8　分支－合并横向弥散示意图（据B.A.格拉鲍夫尼科夫等）

（a）一个流束物质进入时；（b）相对浓度的分布（以边缘最小浓度为1）图中的相对浓度

箭头表示流束的流向

事实上，多孔介质中液体流动时，分子扩散和机械弥散常是同时出现，是不可分的。以上的划分，带有某种人为性。由分子扩散迁移和机械弥散迁移造成的溶质在单位时间通过单位面积的弥散通量可用下式表示：

水文地球化学基础

式中D=D_m+D_f，称为弥散系数，量纲〔L²T^-1〕。

（二）渗流（或对流）迁移

物质随运动介质（地下水）一起的迁移称为渗流（或对流）迁移。在这里地下水起载体的作用。在运动的地下水中，物质可以随着水流一起迁移到很远的距离，故渗（对）流迁移常常是自然界引起物质迁移的主要方式。但在静止的地下水中，只有分子扩散迁移，没有渗流迁移和机械弥散迁移。

物质渗（对）流迁移的数量与物质的浓度和介质（地下水）的运动速度有关，可用下式表示：

水文地球化学基础

式中：I_k——溶质在单位时间内通过单位面积的渗流迁移量，量纲〔ML^-2T^-1〕；

c——溶质在地下水中的浓度，mol;

V——运动介质（地下水）的渗透速度，量纲〔LT^-1〕。

（三）迁移方式判别

以上分析了元素（组份）在地下水中的三种迁移方式，在运动的地下水中均同时存在以上三种迁移方式，只是在不同的条件下，各种迁移方式所占的比重不一，各种迁移方式在迁移中所起的作用可用贝克莱特（Peclet）数来判别：

水文地球化学基础

式中：P_e——贝克莱特数；

V——渗透速度，量纲〔LT^-1〕；

d——表示多孔介质特征的参数，可取介质颗粒的平均粒径，量纲〔L〕；

D_m——分子扩散系数，量纲〔L²T^-1〕。

在一定的水－岩系统中，D_m一般近于常数，介质一定时，d也近于常数，此时贝克莱特数P_e与渗透速度V近于成正比。当V很小时，P_e也很小，说明以分子扩散迁移为主，机械弥散迁移可忽略不计；当V很大时，P_e也大，则以机械弥散迁移为主，分子扩散迁移相对来说很小，可忽略不计。1963年帕金斯（Perkins）和约斯顿（Johnston）通过试验得出：

当P_e＜n·10^-2（n＜5）时，以分子扩散为主。

当n·10^-2＜Pe＜10时，混合迁移，即分子扩散迁移和机械弥散迁移均起作用。

当P_e＞10时，机械弥散迁移占优势。

J.J.弗里德在实验室做了松散多孔介质纵向弥散试验，根据试验资料，把迁移方式划分为五种弥散状态（图3-9）。

弥散系数（D）可通过室内试验或野外试验测定。室内试验一般借助于示踪剂溶液在砂柱或槽中进行。野外测定一般借助于示踪剂注入试验来实现。具体测定方法在此不作详细论述。另外，也可根据多孔介质特征，选用经验数据。

图3-9　示踪情况下纵向弥散试验实例（据J.J.弗里德）

（a）:Dl/DM—P_e曲线图（b）:DL/V·d—P_e曲线图（DL——纵向弥散系数）a—纯分子扩散；b—分子扩散为主也有渗流弥散；c—分子扩散不能省略，渗流弥散比重较大；d—纯渗流弥散；e—紊流状态的渗流弥散

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