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1、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
2、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。,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+H4SiO4 HCO-H+CO3
3、 2-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：、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
4、积-埋藏水。、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。、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
5、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
6、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。,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
7、水化学成分形成过程示意图,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-CaSO4-Na;在有有机质和微生物条件下，硫酸盐还原作用：SO4-NaHCO3-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,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）,
