水文地球化学电子教案5.ppt

地下水 水资源的组成部分 水圈的组成部分 水循环的参与者 参与成岩过程 参与成矿过程 参与深部地质过程 在地壳演化过程中扮演重要角色 地下水圈 水圈 = 大气水 + 地表水 + 地球内部的水 “地下水” 的概念 贮存于地下岩土空隙中的水；地球内部各种水的总和 地下水圈的水文物理分带 固体水带：具有严格完整的水结构，分布于地表极圈、雪线之上的地区、多年冻土带 液体水带：上部液态水，下部水汽混合层，下界深10-15 km（最深80 km） （热力学条件：0-398℃；1-25000巴） 实流体带：氢键破裂，下界深11-160 km （热力学条件：450-700℃；3-50000巴） 单分子带：水不是溶剂，反应的参加者，下界深30-270km（热力学条件：700-1000℃；50000-100000巴） 离解分子带：水分子已不存在 地下水圈的概念 “地下水”的存在形式： 自由水（重力水） 毛细水 结合水：靠静电引力吸附在固体表面的水 离解常数大 pH值低 氢键数量少——溶解性低 矿物结构水：存在于矿物结晶格架或晶层之间 结构水：以OH-、H+ 的形式存在，常温常压下矿物风化释出；如高岭石 结晶水：以水分子的形式存在于结晶格架，高温高压下释出；如石膏 沸石水：以水分子的形式存在于晶层间，常温常压可部分逸出；如方沸石、蒙脱石 地下水圈的概念 地下水圈中的水量估算 最初的地下水总量指地下2km以内的自由水 地球内部所有的水 地幔水：占地球总重量的0.34%（谢鸿森，2005） 莫霍面以上（地幔以上）10.5×108km3 康拉德面以上5.7×108km3（重力水占1/3 ） 沉积岩中： 1.9×108km3 结晶岩中： 8.6×108km3 地壳中水的地球化学循环 水在地球中的全循环 水文循环 发生于地表与地表以下2km范围内； 循环方式：降水、蒸发、地表径流、地下径流、地表水入渗地下等 地质循环 发生于地壳深部 循环方式 重结晶脱水?矿物释水 矿物结晶吸水?自由水变为结合水 沉积物压实释水?进入其他沉积层 初生水与其他成因水（主要是沉积成因水）的水量交换 地壳中水的地球化学循环 水文循环过程 海盆中的水蒸发进入大气圈，一部分在海域或近海岸就形成大气降水，并返回海盆； 大气中的水蒸气运移到陆地后形成大气降水，一部分形成地表径流，另一部分入渗至地下成为地下径流； 地表或地下径流最终又汇入海盆； 在此循环过程中，还包括大气圈与大气圈外宇宙中的水分子交换。 地壳中水的地球化学循环 水文循环过程 地壳中水的地球化学循环 地质循环过程 海盆或湖盆中的沉积物在成岩过程中，一部分水将被挤出，返回沉积盆地；另一部分水封存在沉积岩中，成为沉积成因水；还有一部分水与沉积岩结合成为结合水。 地壳深处的沉积岩在高温高压下可发生重结晶作用，变为变质岩，在此过程中有水释出，形成变质成因水，其中一部分可能回到地幔，还有一部分可能与沉积岩发生水合作用，也成为结合水。 当地幔中涌上的初生水进入地壳下部时，可能发生地壳物质的重熔作用，在此过程中变质成因水、沉积成因水、变质岩、沉积岩及其中的结合水，一起成为重熔岩浆。（此过程为吸水过程） 岩浆在上涌过程中冷却，并脱水，脱出的水可能重新回到沉积盆地中。 地壳中水的地球化学循环 地壳中水的地球化学循环 由俄罗斯学者什瓦尔采夫提出 含义：在地球内部的有次序、有方向的沉积-变质过程中，在岩石、有机物、气体所经历的地球化学改造中，水均为直接参与者；在上述过程中产生的水的分解和合成作用的总和称为水的地球化学循环 水的地球化学循环始于表生带的风化作用，一直到深部变质作用带形成再生水，或深部变质作用带的局部熔融体冷却后分异出内生水，并返回地表为止 地壳中水的地球化学循环 表生带-水的地球化学循环 水是风化作用的积极参与者 2NaAlSi3O8 + 2CO2 + 11H2O = Al2Si2O5 (OH)4 + 2Na+ + 4H4SiO4 + 2HCO3- 风化过程中，水被离解为H+和 OH-，其离解平衡随风化过程的进行被不断破坏，其离解程度已不受控于离解平衡常数，而取决于水解作用的规模； 机械搬运与机械沉积使粘土矿物在合适的地段沉积成岩，化学搬运与化学沉积（发生于水交替缓慢的地带）则形成碳酸盐岩； 结果：铝硅酸盐 + 水 + CO2 = 粘土 + 碳酸盐 地壳中水的地球化学循环 沉积盆地深部-水的地球化学循环 表生带风化形成的粘土矿物高岭石、蒙脱石经搬运在合适地段沉积后，随沉积物厚度的增加，底部沉积物在高压下将进一步水解为伊利石和绿泥石； 上述水解过程不仅促进了水的离解，使水中的氢氧结合到新的粘土矿物中，还使水的成分由富钾镁转为贫钾镁（富钾水环境蒙脱石转化为伊利石，富镁水环境蒙脱石转化为绿泥石）。 在沉积盆地底部还可能有含水矿物发生重结晶