AG经典 | 王焰新院士于2009年提出的具有普适意义的苏打水成因新模式
导言
“AG Classics”专栏拟遴选出一系列在应用地球化学各分支领域产生过较大影响，有代表性的论文，邀请原作者与在同一领域深耕的专家开展隔空讨论，共同展望研究前沿，激励青年学生学者投身应用地球化学研究。
基于一本期刊开展系统回溯、讨论和总结，在国际地球化学界也是一件前所未有的浩大工程。最终，我们预计将汇聚全球超过100位不同背景，不同年龄段的学者参与这样一个意义深远的项目，为AG期刊的历史和地球化学界留下一笔珍贵的文献财富和一段国际合作的佳话美谈。
访谈的英文原稿在国际地球化学协会（IAGC）官网，AG期刊（Elsevier）官网上刊载，并向全球推广。入选的经典文章相关信息将在Elements等杂志上刊载。中文翻译在“AG期刊”微信公众号首发，并将会在未来整合进入环境地球科学相关课程建设，与全球学者携手打造精品课程、精品教材、精品科普作品。
----AG期刊全球编委会
访谈人物
作者：王焰新，中国科学院院士，中国地质大学（武汉）校长。国际地球化学协会会士（IAGC Fellow）。
点评：Kirk Nordstrom，美国地质调查局资深科学家，IAGC Fellow，美国地质学会Birdsall-Dreiss杰出讲席奖获得者。谢先军，中国地质大学（武汉）教授，AG期刊副主编。
Q1. 这篇论文发表在2009年，当时研究苏打水成因的契机是什么？
王焰新：苏打水属于前苏联学者苏林对天然水的分类之一。但之前学界普遍流行的两种假说并不能揭示苏打水成因：一是含钠的结晶岩风化，无法揭示苏打水在其他岩性的含水层中广泛分布；二是阳离子交换说，又解释不了碳酸氢根为什么是苏打水的主要阴离子。在大同盆地开展高砷、高氟地下水时，我们发现这些地下水样大多数是苏打水，因此，我们决定合作研究苏打水的成因。
我们这篇论文提出了具有普适意义的苏打水成因新模式：随着铝硅酸盐矿物水解作用的进行，阳离子和重碳酸盐的浓度增加，直到水中的方解石达到过饱和，但地下水和原生矿物之间的反应仍未达到平衡，水解作用将继续进行，释放出的大部分钠积聚到地下水中而形成苏打水。我们还发现：蒸发作用有助于在干旱-半干旱地区形成苏打水，但过强的蒸发条件又不利于苏打水的发育。从全球的水化学数据分析看，这是一个具有普适意义的苏打水成因模式。
Q2. 是什么样的背景原因让您选择与俄国Stepan L. Shvartsev教授一起开展了这项研究？
王焰新：在中小学时代，看了前苏联的电影，读了不少俄罗斯作家的书，普希金、托尔斯泰、契柯夫的作品都读过，从小就希望有朝一日到广袤的俄罗斯去看看。因此，在南京大学读本科时，选二外时毫不犹豫选修了俄语。机缘巧合，1984年考入地大读研究生，导师是我国著名水文地球化学家沈照理教授，他是1960年代从莫斯科地质勘探学院获得副博士学位回来的，我因此在研究生期间大量阅读俄文专业文献；1990年第一次走出国门，居然是到伊尔库茨克，与俄罗斯学者共同开展贝加尔与山西裂谷地热研究，从此开启与俄罗斯学者的长期合作，与俄罗斯学术界结下不解之缘。
Shvartsev教授是俄罗斯著名水文地球化学家，他的主要贡献是阐明表生带地下水水质的演化规律，强调从水岩相互作用的角度解释天然地下水成因。1980年代前苏联出版的六卷本的水文地质学原理（图1），他是其中《水文地球化学》卷（1982）的第一和主要作者，该书的第二作者是这个六卷本的主编是俄罗斯科学院通讯院士、西伯利亚分院地壳研究所的E. V. Pinneker院士。以这六卷本为标志，形成了水文地质学的“西伯利亚学派”，这个学派继承了维尔纳茨基（图2）的学术思想，即强调地下水圈的整体性、系统性和水岩相互作用的水质效应。
图1 六卷本俄文版水文地质学原理的第一卷《普通水文地质学》（1980）封面（左图）及该卷主编Pinneker院士在扉页赠书签字（右图）：“尊敬的王，祝愿你在水文地质研究中取得成就，1988年11月24日于北京”
图2 水文地球化学的奠基人之一维尔纳茨基（1863~1945）
1999年11月，我邀请Shvartsev教授来华讲学（图3-4）。2000年，依托我主持的国家自然科学基金重点项目，我和Shvartsev教授联合申报基金委国际合作项目《导致砷和氟自围岩向地下水迁移增强的水文地球化学过程：以中国西北和西伯利亚西部为例》，获批后，我邀请Shvartsev教授来华参加我主办的《水文地质与环境》国际学术会议（图5），会后共同开展了野外考察。此后数年，我们相互邀请访问、讲学、联合野外考察，合影照片收录于《托木斯克理工大学水文地质工程地质系七十年系史》一书中（图6）。
图3 1999年应王焰新教授（二排右一）邀请，Shvartsev教授（三排右三）来华访问，在中国地质大学（北京）讲学后与沈照理教授（前排右一）等师生合影。该照片被收入《水文地球化学研究进展》一书（右图）。
图4 1999年王焰新教授（左）与Shvartsev教授（右）在北京天安门合影
图5 2000年Shvartsev教授（二排左五）和其夫人（二排左四）应王焰新教授（二排左三）邀请参加在中国地质大学（武汉）举行的水文地质与环境国际学术会议
图6 《托木斯克理工大学水文地质工程地质系七十年系史》一书的封面
Q3. 这一篇文章背后有没有什么有趣的故事？为什么选择在AG发表？
王焰新：我清晰的记得野外考察是在冬天，当时的山西大同农村条件很艰苦，我们带着研究生一起跑野外、采样，我十分佩服Shvartsev教授的乐观、豁达，他对中国的美食十分喜爱。他英文不是很好，除了做学术报告他讲俄文，但他在平常坚持和我说英文，实在表达不清楚才用俄文解释。他比我年长三十多岁，但一点大专家的架子都没有，艰苦的野外工作变成了愉快的科学探索之旅。等水化学数据出来后，我们一起分析数据，到2006年我们决定用2004-2005年采样的水化学结果，与项目参加者苏春利博士一起合作写这篇论文，我主笔。我们用了两年时间反复修改，论文2008年底在AG在线发表。当时选择投AG的原因有两个：一是该期刊从一开始就是水文地球化学论文的主要发稿期刊，二是该刊的编辑小同行比较多，审稿质量较高。
Q4. 您当时在怎样的职位和生涯发展阶段？这篇文章对您后续研究有更深一层的启示吗？
王焰新：我当时刚刚承担2004年获批的国家杰出青年科学基金，项目重点研究高砷地下水成因。此后，2015年获批的《环境水文地质》创新研究群体，研究对象拓展到高砷、高氟、高碘地下水，研究区域从黄河流域、海河流域拓展到长江流域。
这篇论文在一定程度上奠定了我们对劣质地下水水质成因认识的基础，也在一定程度上奠定了我们以水岩相互作用为主线、以水文地质学家为研究团队核心的研究模式。此后的工作，我们从非传统同位素、微量元素、沉积环境、地微生物等方面进一步开展跨学科的系统研究，解释高砷、高氟和高碘等劣质地下水的成因和分布规律，这篇论文所强调的重视水文地质条件（包括气象条件）和水岩相互作用控制的思想，在我们的后续研究中是一以贯之的。
到2020年，我们提出了具有普适性的劣质地下水四种基本成因模型，分别为淋滤-汇聚型、埋藏-溶解型、压密-释放型、蒸发-浓缩型。这四种基本模式首次从地下水系统演化的角度统一了不同类型天然劣质地下水的成因理论，并得到了水动力、水化学、同位素及数值模拟等多学科证据的验证，为预测和圈定原生劣质地下水空间分布范围，保障供水安全提供了重要基础理论。
Q5. 能否聊一下您对国际学术合作的看法？以及对青年学者的寄语？
王焰新：国际学术合作不但不能被削弱，反而应该加强。没有对外开放，没有国际合作，就没有中国今天的成就。现在的国际形势和疫情背景下，必须比以往任何时候都更加重视国际合作，其中，与俄罗斯的科技合作应该给予重视。但中国年轻一代，会俄语的科技人员很少，要多派年轻人去俄罗斯留学、合作。对青年学者，我提三点建议：（1）多读文献，既要读新文献，也要读经典，深入了解学科的历史；（2）有意识地争取和Shvartsev教授这样的国际一流学者或机构合作；（3）一定要早过语言关。
Q1. 这篇论文发表在2009年，当时人们对于苏打水成因有怎么样的认识？这篇论文在水文地球化学领域有什么样的意义？
Kirk Nordstrom:随着几十年来不断的打井采样和水化学分析技术的提高，人们对苏打水（即Na-HCO3水）成因的认识也逐渐深入。在19世纪后半叶，欧洲和北美已报道过重碳酸型水伴随着高砷和高氟的出现（例如，F.W.Clarke, 1908年, The Data of Geochemistry, 第149页）。到1940年代，美国地质调查局（USGS）的学者发现，大西洋沿海平原含水层的水化学类型从补给区的Ca-HCO3型演化至排泄区的Na-HCO3型，这一过程通常称为“淡化”。在这些Na-HCO3水中，氟的浓度通常较高。阳离子交换作用是其主要阳离子变化的原因，当淡水流经具有大量交换能力的海相沉积物时，Ca与Na发生离子交换。沉积物中有机质产生的CO2溶于水增加重碳酸盐碱度，同时促进方解石沉淀，从溶液中去除了更多的钙。现在已经对这些过程进行了建模，能够模拟观察到的水化学演化过程，进而证实最初的解释。另一处发现的Na-HCO3水成因稍有不同：地热活动或大量有机物（例如石油或煤的沉积物）降解产生大量的CO2会增强斜长石（特别是钠长石）的风化速率，就像这篇论文对大同盆地的解释一样，形成Na-HCO3水。这其中几乎没有阳离子交换，但由此导致的方解石沉淀、苏打水形成、高pH、高氟及高砷地下水与美国大西洋沿海平原发现的相同。
与美国大西洋沿海平原的含水层所不同的是，大同盆地的浅层沉积含水层形成于第四纪时期（近期），地势低洼平坦；且位于干旱-半干旱气候地区，蒸发和土壤盐碱化作用显著。这篇论文的重要性在于揭示了与美国大西洋沿海平原水环境不同的苏打水成因模式，并且成功地用水化学数据解译了这些过程对高砷和高氟地下水形成的影响。
Q2. 能否谈一谈您对Shvartsev教授和王焰新教授的印象？
Kirk Nordstrom:不巧的是，我与Shvartsev教授会面的机会很少，只在WRI会议上匆匆见过几面，但是他在水文地球化学领域的声誉是众所周知的。
我第一次认识王焰新教授是在2006年第一次访问中国在北京参加IAGC会议时。会后，他邀请我与Oleg Chudaev博士及其妻子Valentina一起去中国北部的五大连池世界地质公园进行野外考察。对我来说，这是一个访问哈尔滨、五大连池和黑龙江水文地质研究所的绝佳机会。在随后几次访问中国的行程中，我也多次到武汉访问会见王焰新教授，并与他的学生和博士后进行学术交流。他对教育的浓厚兴趣以及他极力提倡学生与西方科学家互动的态度给我留下了深刻的印象。令我惊喜的是，我发现焰新经常阅读古典（非科学）文学，尤其是哲学著作。一般很少会遇到科学或工程领域的学者同时对文学和哲学感兴趣，并对我们为什么做自己的事情有更宏观的认识。每当我访问武汉之前，我都会重读《道德经》，以防焰新再次考我里面的内容。
Q3. 请分别谈一谈前苏联学者和中国学者对水文地球化学领域的贡献？
Kirk Nordstrom: 实际上，前苏联学者是间接带我接触地球化学领域的领路人。我在大学期间是主修化学，但对化学的任何方面都没有特别的兴趣。刚上大三时，我在图书馆的化学专区浏览了几本书，其中有三本书引起了我的注意——Fersman的《Geochemistry》、Vernadsky的《Geochemistry》、以及Garrels 和Christ的《Solutions,Minerals, and Equilibria》。这是我第一次认识地球化学这一领域，而这正是我想研究的领域。
我非常荣幸能够亲自认识Vernadsky研究所的Boris Ryzhenko博士，并与他保持将近40多年的联系。他与Stanislav Kraynov、Igor Khodakovsky等人的学术贡献具有传奇色彩。我是在1982年在罗斯托夫举行的天然水地球化学会议上第一次见到Kraynov博士和Ryzhenko博士。当然，当时我还不知道Kraynov、Ryzhenko和Shvets博士会成为俄罗斯水文地球化学领域最重要的著作《Geochemistry of Groundwater》的作者，该书于2012年再版。Khodakovsky博士是我所认识最好的地球化学热力学家之一。每次我见到他，他都对汇编和评估矿物反应的热力学数据有一些新想法。在水岩相互作用领域中，他在许多方面都处于领先地位。此外，我也逐渐了解了Igor博士在天体化学等其他领域的贡献。我时常惊讶于他的精力和他对科学兴趣的不懈追求。我认识的另一位杰出的俄罗斯水文地球化学家是Oleg Chudaev博士。他对改善符拉迪沃斯托克的远东地质研究所的硬件设施做出了巨大贡献，并为地下水地球化学，尤其是地热水地球化学做出了许多贡献。千岛群岛是他的野外实验室之一，在这个偏远的活火山岛上他继承了俄罗斯学界的悠久传统——长期做高温水-岩相互作用方面的工作。
正是通过认识王焰新教授，我才有机会认识中国地质大学（北京）、中国科学院和南京大学的中国学者。著名的水文地球化学家郑焰教授还在美国纽约城市大学皇后学院任教时，我就认识了她。她对中西方科学以及对砷地球化学的了解为位于深圳的南方科技大学（SUSTech）带来了巨大的优势。我唯一的遗憾是我没有更多时间与这些著名的学者及其学生交流。从上个世纪末到现在，中国在水文地球化学领域的学术研究的广度和深度已经不断提升。水文地球化学是一个及其重要的研究领域，尤其在中国，由于地下水快速开采以及砷、氟等引起的水质污染，许多居民的水资源可持续安全供给得不到保障。
Q4. 关于国际合作方面，您能否分享一些有趣的故事或者经历？
Kirk Nordstrom: 我的第一个国际合作是1980-1990年与加拿大、德国、法国、瑞典、瑞士、英国和美国的水文地球化学学者一起合作的Stripa国际项目。该项目旨在探讨深部花岗岩作为储存高辐射废物的可能性。在瑞典中部有一个废弃的铁矿山，我们对它进行了修复，以进行大量的物理、化学和工程实验。当我加入该小组并于1982年在维也纳第一次参加IAEA会议时，我发现深层地下水中的氯浓度出乎意料地高（高达700 mg/L），并且没有明显的卤素源。当时其他学者假设为现代海水入侵、古代海水入侵、蒸发岩床的溶解以及花岗岩中流体包裹体的渗漏。我很快就回答说，流体包裹体是极不可能的，而且我可以很容易地证明这一点，因为我知道USGS拥有破碎晶体岩石并分析流体包裹体渗漏液的设备。我要做的就是比较渗漏液与地下水中的Br/Cl比值。当时有一位学生协助我进行了该项目的分析测试，第一批样品结果显示Br/Cl比值与海水明显不同，与地下水Br/Cl比值相同。我告诉她回去再做十个样品，结果与第一批样品一致。突然之间，流体包裹体的渗漏成为了可行的假设，并推翻了我之前的直觉结论。此外，花岗岩附近没有已知的蒸发岩床。其他小组成员大多是同位素水文学家，似乎并不认可花岗岩中大量的流体包裹体所导致的高盐度现象。我甚至寻求了Werner Giggenbach的帮助，他当时在IAEA接受了临时职位并偶然地参加了我们的会议。一开始他表明这些只是正常的低温地下水，并且试图说服我。我叨扰了他很久，以至于他打开地热矿物软件计算我们的地下水化学结果，想向我证明主要离子并不能够代表高温反应的发生。然而在2分钟内，这位著名的地热化学家彻底改变了主意，并同意了我的看法。接着，他试图向小组中的其他成员解释他计算的重要性，但是他们似乎并不认可他在说什么。但对我来说，这是一个全新的、出乎意料的经历。它还证明了地下水中的溶质（数百万年）与地下水本身（数百至数千年）可以具有完全不同的年龄，这是水文地质学家通常不认可的事实。这整个经历是我此生难忘的经历。
在国内和国际项目中，我发现科学家和工程师在如何看待及解决环境问题方面存在严重分歧。科学家注重从物理化学角度了解问题产生的原因，而工程师则致力于解决环境问题，且不想浪费时间试图理解为什么会发生这些问题。只有当科学家和工程师并肩工作，相互尊重彼此的知识和技能，才能找到解决环境问题的最佳解决方案，更好的保护和改善我们的环境。但这种通力合作的情况往往十分少见。
Q1. 您还记得自己第一次读到这一篇文章时是什么场景吗？
谢先军：那时我也在大同盆地做高砷地下水方面的研究。当时尽管国际上针对砷迁移机制有海量的研究成果，关于高砷地下水的成因机制还存在争议。读到它以后，首先对苏打水的形成机制有了十分清晰的认识。由于大部分高砷与高氟地下水都属于苏打水，因此这篇论文也揭示了利于砷、氟富集的地下水环境，让我深刻意识到地质环境对高砷地下水的影响。
Q2. 这篇经典文章对你后来职业生涯有什么影响？比如，您有继续砷污染问题的工作吗？
谢先军：这篇文章论述了苏打水对砷富集的重要控制作用，这种认识坚定了我继续从事地下水环境中砷的来源与迁移转化规律这一课题，至今我们团队仍在大同盆地开展相关研究，并且建立了原位监测场与原位修复示范场地，主持了三个高砷地下水研究方面的国家自然科学基金项目；同时，我的研究兴趣也逐渐扩展到原生劣质地下水的成因机制，包括但不限于高砷、高碘、高氟地下水的迁移富集规律与修复技术，是我职业发展中阅读到十分重要的一篇文献。
Q3. 您拥有十几年的野外研究经验，有什么建议给年轻的水文地质工作者？
谢先军：作为一名地质人，我们不仅要会分析数据，更要在取样过程中保护样本原始的样子，将误差减小再减小，我们是做“水”的工作的，这是不能马虎和出错的；只有尽量保持地下水原有的环境，把最真实的问题反映出来，我们才能说我们的工作是有价值的。
Q4. 现在您还向自己课题组的学生推荐阅读这篇文章吗？
谢先军：这是一篇非常经典的论文，每当遇到有关水化学演化的讨论时，我时常推荐课题组的学生先阅读这篇文章。它既能让学生掌握该领域的一些基础理论知识与数据分析方法，也能让他们学习和了解考虑这类问题的逻辑思维模式。此外，在《地下水污染与防治》课程教学中，我经常会以这篇文章为实例，讲解如何将地下水水化学演化过程与毒害组分的水文地球化学行为联系起来，让学生们能够迅速地理解课堂教学的知识要点，并切身领会如何将基础理论知识应用到实际野外问题中。
Q5. 在地下水污染修复方面，您能否简单的介绍下未来发展趋势以及您个人最感兴趣的方面？
谢先军：在修复与改良方面，我认为有三个方向的研究值得关注（1）修复机理，（2）修复材料，（3）应用场景。就高砷地下水而言，现在大量研究表明巯基化和甲基化等是砷地球化学循环重要过程，相关砷形态的检测甚至原位快速检测技术是当前的难点与瓶颈。基于不同形态及机理的原位地下水修复技术，将是未来该领域的研究热点。此外，现实环境中不存在所谓“单一污染物”，例如高砷、高氟、高碘、和/或高铵氮可共存于同一地下水环境中，针对不同的应用场景，研发共存组分修复的新材料和新技术方法体系也将是未来发展的趋势。
推荐阅读
AG经典专栏
“微言大义”专栏
全国学术公众号100强：AG期刊
投稿邮箱｜ag_eic@fudan.edu.cn
欢迎收藏，关注，“在看”，助力中国引领的国际地球化学学术舞台。