4水的地球化学循环

第四章水的地球化学循环及水文地球化学分带1地壳中水的地球化学循环1.1水在地球中的全循环地壳中水的全循环包括水文循环及地质循环。我们已经比较熟悉水文循环。水文循环：渗入成因地下水地质循环：岩浆作用、变质作用、沉积成因地下水•首先，沉积物被埋藏后，在转变为沉积岩的过程中，经受上覆沉积物的挤压（压实作用），失去水，一部分水返回沉积盆地；在地壳较深处，构造、岩浆活动强烈区，沉积岩发生重结晶，并放出水。生成变质岩的同时形成了变质成因水。在下地壳、上地幔较高的温压条件下，变质岩重熔，吸水，形成熔融态岩浆；沉积物水合（水化）可形成熔融态岩浆，水的存在十分有利于岩浆的形成。这些熔融的岩浆上侵到沉积盆地，岩石脱水、重结晶、放出水。同时，在这些岩浆上侵、就位过程中，也会混入或吸收一些沉积成因水和变质成因水。沉积岩初生水及地幔物质1.2地壳中水的地球化学循环水的地球化学循环总是与水循环紧密相联的。水的地球化学循环：在沉积-变质作用有次序有方向性的发展过程中，水直接参与岩石、有机物质及气体经历的地球化学作用，并被分解、合成等作用与现象的总和。水是通过分解和合成实现其在地壳中的地球化学循环的。水的分解：表生带风化作用下，铝硅酸盐水解产生新的粘土矿物，促使水的离解作用顺利进行。NaAlSi3O8+CO2+H2O→Na++HCO-3+Al2Si2O5(OH)4+H4SiO4HCO-→H++CO32-铝硅酸盐+水+CO2=粘土+碳酸盐（水离解的离子与矿物固定）水的分解到此并未结束。在深部，压力增大时，表生带风化作用形成的高岭石和蒙脱石消失，变化为伊利石和绿泥石，这一过程伴随着十分广泛的水解作用。如蒙脱石转化为绿泥石时，相当蒙脱石重量的35%以上的水受到分解并被固定。水的合成：区域变质带中，变质作用过程中，大多是脱水，脱气。粘土矿物与碳酸盐重结晶，转变为铝硅酸盐，H+与O2-重新化合，生成水。岩浆形成要吸水。水在地壳中的地球化学循环示意图2水文地质旋回（循环）水文地质旋回可包括三个阶段：Ⅰ、沉压阶段：沉积成因水形成期地壳发生沉降，海水入侵，沉积作用发育，含水层与大气相融绝，形成沉积-埋藏水。Ⅱ、渗入阶段：渗入成因水形成期地壳抬升，沉积物出露地表，大气降水得以入渗补给含水层，排挤原有的沉积-埋藏水。Ⅲ、岩浆阶段：有时出现，迭加于前阶段岩浆水进入上部水圈循环水文地质旋回的概念是新兴边缘学科——古水文地质学的理论基础之一。特点：（1）粗线条的，模式化的；（2）把时间因素引入水文地质学中；（3）解释成矿、成油、地下水化学成分及水资源形成等各种地质现象。例子1：水资源分为补给资源和存储资源。存储资源形成于地质历史时期，有的是不可以补偿的，用一点少一点。研究这种储存资源是什么时候形成的或开始形成的——水文地质旋回。例子2：长江下游（高明）地区，河谷两岸全新世沉积物组成的承压含水层中Fe、Mn、As含量较高，不能饮用。含水层的形成：第三纪末至晚更新世在沿江断陷盆地，发育含水层沉积物；形成初期的特点：全新世初，古气候炎热、潮湿，处于强烈氧化环境，Fe、Mn、As以高价态化合物形式存在于含水层中；形成后期的特点：含水层上堆积了相当厚富含有机质的粘土、亚粘土层，改变了其下含水层的氧化环境，使之处于封闭还原状态，Fe、Mn、As还原成低价态，易迁移，从含水介质进入地下水。3水文地球化学分带地下水分布的主要规律之一是它的分带性。地下水的分带性主要表现为水文地质动力分带和水文地球化学分带。水文地球化学分带包括潜水的纬度分带和承压水的水平和垂直分带。3.1潜水含水层水文地球化学分带3.2承压水盆地水文地质动力分带按承压水盆地中水交替速度，分为：水强烈交替带（上部带）：位于地方水系排泄范围内，水的运动速度相对较快，资源更新周期几十—几百年；水缓慢交替带（中部带）：位于地方侵蚀基准面和海平面之间，地下水运动速度较慢，水交替周期几万年、甚至几十万年；水消极交替带（下部带）：分布在海平面以下，水几乎处于滞留状态，地下水更新周期可达几百万、甚至上千万年。3.3承压水盆地水文地球化学分带水平分带：在一个含水层中水化学成分的分带规律。Ca沉积盆地承压含水层地下水化学成分水平分带（1）为什么？过渡类型溶滤作用；非海相沉积（TDS,水化学成分）沉积盆地承压含水层地下水化学成分形成过程示意图Ca过渡类型沉积盆地承压含水层地下水化学成分水平分带（2）•SO42-：除石膏溶解外，还有黄铁矿等的氧化；•海相沉积岩中，水中的Ca2+与岩石中的Na+交换，HCO3-Ca→SO4-Na;•在有有机质和微生物条件下，硫酸盐还原作用：SO4-Na→HCO3-Na；•Cl-,Na+:可能来自海相封存水。沉积盆地承压含水层地下水化学成分水平分带（3）垂直分带：承压水盆地埋藏着几个含水层时，沿垂向上水化学成分分带规律。正垂直分带：矿化度随深度增加而增加，水化学成分也按着水平分带中的更替次序而变化；反垂直分带：上部高矿化度水下面埋藏着低矿化度水，在它们下面，水的矿化度随深度重新增加；复杂垂直分带：水的矿化度随深度增加不只一次的增加或减少CaCa沉积盆地承压含水层地下水化学成分正垂直分带沉积盆地承压含水层地下水化学成分反垂直分带（1）（两个承压含水层地下水补给条件不同）沉积盆地承压含水层地下水化学成分反垂直分带（2）（两个承压含水层由渗透性不同的岩石组成，下部大于上部）粉砂岩灰岩沉积盆地承压含水层地下水化学成分反垂直分带（3）（两个承压含水层地下水补给区标高明显不同）