地壳中含有87种化学元素，目前在天然水中基本都已发现。这些元素在天然水中的含量与岩石圈的平均组成相差很大。多种化合物溶于水，又随着水文循环一起迁移，经历着不同环境，其数量、组成及存在形态都在不断变化。这个过程受到两方面因素的制约：一是元素和化合物的物理化学性质；二是各种环境因素，如天然水的酸碱性质、氧化还原状况、有机质的数量与组成，以及各种自然环境条件等。天然水的主要矿化作用如下：
1）溶滤作用土壤和岩石中某些成分进入水中的过程称溶滤作用。当地表水或地下水流经土壤或岩石时，在与其密切接触过程中，不断地溶解其中常含有的易溶盐类，从而提高了矿化度。按其溶解性能可分为两类：一类是按矿物成分的比例全部溶于水中，称全等溶解矿物，例如，氯化物、硫酸盐、碳酸盐；另一类是矿物中只有一部分元素进入水中，而原始矿物保持其结晶格架，这一类称不全等溶矿物，主要是硅酸盐和铝硅酸盐。
2）吸附性阳离子交替作用天然水中离子从溶液中转移到胶体上，是吸附过程。同时胶体上原来吸附的离子，转移到溶液中是解吸过程。吸附和解吸的结果，表现为阳离子交换。其特征有：①离子交换是可逆反应，处于动态平衡；②离子交换以当量关系进行；③离子交换遵守质量作用定律。
胶体吸附的饱和容量称为吸附容量。以100克胶体中吸附离子的摩尔数来表示。常见的粘土矿物，例如蒙脱石、伊利石、高岭石吸附容量分别为80、30，10摩尔/100克。腐殖质胶体的吸附容量可达350摩尔/100克。
胶体对各种阳离子的吸附能力不同，并有如下顺序：
H+＞Fe3+＞Al3+＞Ba2+＞Ca2+＞Mg2+＞K+＞NH4+＞Na+＞Li+
特别是在地下水和海水中，阳离子交替作用广泛存在。常见到矿物初期地下水中的Ca2+与胶体上面吸附的Na+交替，使硬度较大的HCO3-Ca型水变为硬度较小的HCO3-Na型水。
尽管在地壳平均组成中，钾和钠的丰度很接近，而且钾盐的溶解度普通高于钠盐，但由于胶体吸附K+的能力大于Na+，并且植物普遍吸收K+，合成有机质。所以天然水中钾的含量远小于钠的含量。
天然水中微量元素的难溶物质远未达到饱和。胶体的阳离子交替作用能使许多重金属离子从稀溶液中沉淀，转为固相物，例如，使Mn、Cu、Ni、Co、Pb、Zn、Hg等重金属从湖水、海水中向湖底、海底沉积。
3）氧化作用天然水中的氧化作用，包括使围岩的矿物氧化和使水中有机物氧化。黄铁矿是岩石中常见的硫化物，含氧的水渗入地下，使黄铁矿氧化。
2FeS2+7O2+2H2O=2FeSO4+2H2SO4
12FeSO4+3O2+6H2O=4Fe(SO4)3+2FeO3·3H2O
游离的硫酸进而侵入围岩中的CaCO3。
CaCO3+H2SO4=CaSO4+CO2↑+2H2O
硫化矿物的氧化是地下水中富集硫酸盐的重要途径。在硫化矿床附近和富含黄铁矿的煤田地区，在矿坑和风化壳中往往形成含大量硫酸盐（10—15克/升）的酸性水。而在深层承压水中，因含氧不足，就不会出现这种情况。
4）还原作用 在还原环境里，天然水若与含有机物的围岩（油泥、石油等）接触，或受到过量的有机物污染，碳氢化合物可以使水中的硫酸盐还原。如：
CH4+CaSO4=CaS+CO2↑+2H2O
硫化物与CO2、H2O进一步作用生成CaCO3沉淀，而水中失去了硫酸盐，富集了H2S。
CaS+CO2+H2O=CaCO3↓+H2S
在油田地下水、河湖底泥中及封闭的海盆底部，水中的有机质受脱硫细菌作用，也会产生同样结果。这些厌氧细菌就是依靠夺取硫酸根中的氧而生存的。
5）蒸发浓缩作用 在干旱地区，内陆湖和地下水正在经历盐化作用。在蒸发浓缩过程中，各种盐类的沉淀顺序为：Al、Fe、Mn的氢氧化物，Ca、Mg的碳酸盐、硫酸盐和磷酸盐，Na的硫酸盐，Na、K的氯化物，Ca、Mg的氯化物，最后为硝酸盐。
在青藏高原有众多的盐湖，富集了大量的KCl、NaCl，有的富集了Br、I、B、Li、Sr等，形成可供开采的盐湖资源。
6）混合作用。雨水渗入补给地下水，地下水补给河水，河水注入湖泊或大海，河口段的潮水上溯，滨海含水层的海水入侵等，都是天然水的混合。两种或几种矿化度不同，成分各异的天然水相遇，混合以后的矿化度和化学组成都要发生变化。如果混合过程中没有发生沉淀和吸附阳离子交换作用，那么混合前后水的矿化度之间呈线性关系，对任一组分来说都是如此。
在干旱地区，这类混合作用使Ca、Mg、Fe的碳酸盐析出，石膏和二氧化硅沉淀，结果地下水或盐湖中几乎是单一的NaCl，矿化度达50克/升以上。
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