淡水透镜体的生成机理及影响因素分析

淡水透镜体是在特定的地质条件下长期的地质年代中形成的地下淡水水体。在由珊瑚等生物碎屑沙砾堆积在礁盘上形成珊瑚岛的时候，也就开始了淡水透镜体的生成。起初，珊瑚岛与海面齐平或略高于海面，珊瑚岛内充满海水。其后，随着生物碎屑沙砾的堆积，海岛增高，岛内海水逐渐被雨水驱离，淡水聚集生成淡水透镜体。淡水透镜体的生成有三个必要条件，分别是降雨、特殊的珊瑚岛地质结构和海水-淡水容重差异。分析这三个条件，有助于理解淡水透镜体的生成过程。

（1）形成过程

降雨是珊瑚岛礁淡水透镜体唯一的淡水来源。在珊瑚岛集中的太平洋、印度洋上，珊瑚岛的年均降雨量大都为1 500～3 000 mm，雨量十分充沛，为淡水透镜体的生成奠定了物质基础。雨水首先降落在植被上，少部分被截留蒸发，大部分在枝叶吸附雨水达饱和后滴落地面或顺着树干流向地表。林间空地，雨水可直接降落地表。珊瑚岛地形为一碟形盆地，四周有高出地面3～5 m的沙堤。地质上珊瑚岛是双含水层结构，上部是形成年代晚、未固结的沙砾沉积堆积层；下部是第三纪（6 500万年前～250万年前）或更新纪（250万年前～1.5万年前）溶蚀灰岩，孔隙、溶道极为发育，渗透性强。两相比较，上层渗透系数大约每日几米至几十米；下层渗透系数则可达每日几百米至上千米，相差可达到2个量级。这种特殊的地形地质结构，使得到达地表的雨水在下渗的同时又容易在地表汇集，持续下渗。如果不是这种地质结构，上下孔隙、溶道都很发育，渗透系数都很大，那么海水就容易浸入流通，雨水一旦下渗，很快和海水混合，随海流而流失，淡水透镜体便无法形成。相反，上层沙砾沉积堆积层既有一定的孔隙率和渗透率，又远小于下层的溶蚀灰岩，地表雨水容易下渗并滞留于上层未固结的沙砾沉积堆积层中，较少受到海水的掺和影响，使得一部分区间得以保存淡水，这就是淡水透镜体。因此，特殊的珊瑚地质构造为淡水透镜体的生成创造了环境条件。淡水透镜体的生成还和海水-淡水的容重差密不可分。海洋接纳大陆地表、地下径流历经数十亿年，陆地岩土中的盐分随径流进入海洋，海水蒸发，盐分存留。至今，海水中含盐量平均已达3.5%，密度平均达1 025 kg/m3。而雨水的含盐量极低，1988年我国西沙地区测得雨水含盐量为105.4μg/m3，按百分比计为10-8%，与海水中平均含盐量3.5%相比，完全可以忽略，即雨水的密度为1 000 kg/m3。尽管海水与淡水密度差别不大，但足以使珊瑚岛地表之下的淡水体漂浮于海水之上，其形态中央厚、边缘薄，宛如一枚透镜，故称之淡水透镜体。

（2）结构

图2.7　不同状态的水在珊瑚岛中的分布(www.xing528.com)

淡水透镜体的上表面俗称“潜水面”，周边与岛屿外侧海面相接，中央高出海平面，呈一张上突的弧形曲面。潜水面上方为包气带，下方为饱水带，如图2.7所示。饱水带中，珊瑚沙粒间的孔隙全部被水充满，处于饱和状态，粒间大部分水可以在重力作用下流动，称为“重力水”，可以开发利用，可以被植物根系吸收。包气带中，珊瑚沙粒间的部分孔隙被水填充，其余孔隙充气，处于非饱和状态。包气带中的水以毛细水、结合水和气态水的形式存在。毛细水滞留于沙粒孔隙构成的毛细管中，在表面张力和水分子内聚力的作用下，由潜水面沿毛细管上升，与重力达成平衡时便保持一定高度，在潜水面上方形成一层毛细管水带。毛细管水上升的高度随粒径大小变化，在粉沙中，毛细管水可以上升到潜水面之上1 m或更高；但在粗大的珊瑚砾石中，毛细管水仅能上升几个厘米，见表2.10。毛细管水可随潜水面的升降在垂直方向上下运动，但在一定的珊瑚岛全新世地层中上升高度不会改变；毛细管水不可开采，但可被植物利用。结合水受珊瑚沙粒表面的静电作用，被吸附于沙粒表面，含量取决于沙粒表面积的大小，颗粒越细，表面积越大，含量越高，反之亦然。结合水不能开采，吸附于颗粒表面水膜的外层水可以被植物吸收。气态水以水蒸气的形式存在于非饱和的沙砾孔隙中，来源于毛细管水的蒸发，或大气中水分的移入，在水汽压差驱动下从湿度大的地方向湿度小的地方运动，并可与液态水相互转化，于一定温度、压力下达到动态平衡。气态水既不可被开采，也不可被植物吸收。

表2.10　部分介质中毛细管水上升的近似高度

上述包气带中的非饱和状态不是一成不变的，在珊瑚岛面临过多降雨时，部分区域也会变成饱和状态，但包气带的饱和状态只是暂时的。包气带和饱和带间的潜水面也不是静止不动的，随着降雨、蒸腾、潮汐和淡水透镜体的开采而上下波动。降雨和涨潮时，潜水面上升；退潮、蒸腾和抽吸淡水透镜体时，潜水面下降。然而，珊瑚岛潜水面之下的饱和带并非全部充满淡水。从海底向上伸展达千米的珊瑚岛中，淡水仅存在于最上部分、不整合面之上的一薄层中，淡水之下绝大部分区域充满海水。海水与淡水之间，有一个含盐量从淡水到海水的过渡带。因此，海水-淡水间没有明显的界面，在珊瑚岛礁淡水透镜体的研究中，常把氯离子Cl-浓度为600 mg/L的等值面作为透镜体的下边界。但在有的研究中，又常常忽略过渡带的存在，假设海水-淡水间有一突变界面。淡水透镜体的几何外形如图2.8所示。

图2.8　淡水透镜体示意图（垂向局部扩大）