传统地下水化学理论认为，随着流动路径的增加，溶滤作用会引起地下水矿化度增大。在鄂尔多斯盆地砂岩含水层，排泄区深层地下水（井深介于250m~520m）的矿化度普遍低于补给区地下水的矿化度，主要表现为K、Ca、Mg和Sr等金属离子浓度的下降，其中Mg的下降幅度高达70%以上。
为了揭示这一现象的机理，我校水资源与环境学院博士研究生张鸿在导师蒋小伟教授的指导下，与科学研究院柯珊、刘盛遨等合作，利用Mg同位素揭示了地下水循环过程中与Mg相关的水岩相互作用过程。补给区地下水的δ26Mg为-1.29‰ ~ -1.11‰，与前人对地下水的测试结果一致，排泄区深层地下水的δ26Mg低至-3.30‰ ~ -2.13‰，如此轻的Mg同位素地下水未见报道。通过定量计算，主要发现如下：
1、方解石溶解是造成轻Mg同位素的常见过程之一。排泄区深层地下水的87Sr/86Sr普遍低于补给区地下水，表明方解石溶解对深层地下水轻Mg同位素有贡献。将补给区地下水和方解石作为端元，计算表明方解石溶解仅能部分解释排泄区深层地下水的低δ26Mg，但是无法解释低Mg含量及Ca/Mg比值（图1a、b）。
2、前人认为含Mg粘土矿物的形成可以造成水中轻Mg同位素。借助前人关于这一过程的Mg同位素分馏系数，通过叠加方解石溶解和粘土矿物形成这两个过程，合理解释了排泄区大部分深层地下水样品δ26Mg与Mg含量关系，但无法解释少数样品（图1c所示的G2）δ26Mg与Mg含量关系。
3、深层地下水向地表流动过程中，压力下降逸出CO2并形成方解石沉淀，这一过程伴随Mg的去除，并可以造成水中δ26Mg的增大，合理解释了G2四个样品的δ26Mg与Mg含量关系（图1d）。G2观测到沉淀作用引起的Mg同位素分馏，成因是其沉淀作用最强烈，且沉淀作用之前Mg含量最低，沉淀作用对残余溶液中Mg的去除率高达66%以上。
4、粘土矿物形成对Mg和K离子的去除率从大到小依次为G2、G1和G3，去除率与地下水滞留时间和循环距离密切相关。滞留时间长是造成研究区排泄区深层地下水普遍存在轻Mg同位素的根本原因。
本研究加深了对地下水循环过程中水化学演化规律的认识，也加深了对水中Mg同位素分馏机理的认识（图2）。长滞留时间对水体中同位素分馏的放大效应值得深入研究。
图1. 地下水Mg同位素与Ca/Mg及Mg离子变化关系图
图2. 地下水循环过程中控制Mg含量及同位素的主要地球化学过程
上述成果发表于地球科学领域国际著名期刊《Geochimica et Cosmochimica Acta》：Hong Zhang, Xiao-Wei Jiang*, Li Wan, Shan Ke, Sheng-Ao Liu, Guilin Han, Huaming Guo, Aiguo Dong. (2018). Fractionation of Mg isotopes by clay formation and calcite precipitation in groundwater with long residence times in a sandstone aquifer, Ordos Basin, China. Geochimica et Cosmochimica Acta, 237, 261-274. [IF2017=4.690].
