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水文地球化学基础主讲：苏春利第五讲水的地球化学循环与水文地球化学应用第一节水的地球化学循环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10-15km（最深80km）（热力学条件：0-398℃；1-25000巴）实流体带：氢键破裂，下界深11-160km（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在地球中的全循环地幔岩岩浆源结晶岩沉积岩大陆冰盖11.2km/s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脱水，如石膏变为硬石膏地壳中水的地球化学循环深部变质带-水的地球化学循环区域变质带中，粘土矿物将与碳酸盐矿物在高温高压条件下重结晶生成原生铝硅酸盐，在此过程中伴随有再生水的形成；来自上地幔的初生水则可能使地壳深部形成局部熔融体，此过程为吸水过程，将使变质带的各种成因的水融入局部熔融体的岩浆中；局部熔融体在冷却过程中将释水，此部分水与变质成因水、深循环而来的受到加热烘烤的渗入成因水相混合，如可沿合适通道涌出地表，即成为现代热泉。地壳中水的地球化学循环水在其自身的地球化学循环中的作用在水的地球化学循环过程中，它绝不仅是循环着的物质，还深刻影响着各种地球化学过程与地质过程的进程；在此进程中，伴随着水的不断离解与合成水具有破坏岩石，使其发生水解的能力；高温高压下，水的侵蚀性显著增强，这一点对许多地球化学过程都有重要作用；水（水温、水量）影响岩石的变质程度和变质矿物的种类及特征，许多变质过程在水不存在或水量很小时都停止了；水可以加快晶体的生长速度，并可使矿物结晶得以在更低的温度下完成。水积极参与岩浆的形成和分异过程；水量的大小对岩浆冷却时岩石的结晶程度有重要影响；水还可降低地幔物质的熔融温度。地壳中水的地球化学循环结论岩石不仅是地下水储存与迁移的场所，同时还是一种活泼的化学反应剂，可以促进水分子的离解，并将离解的产物固定在新矿物中；水不仅是各类矿物的良好溶剂，在适当的地质环境中，它还会分解或合成——这也是水的地球化学循环的重要特色之一；地下水处于不断流动、往复循环的过程中，因此，某一地下环境中的地下水的化学组分是地下水地球化学循环的结果，而不仅仅与围岩的成分有关。成矿过程中水的地球化学循环地下水的成矿作用地下水中的成矿组分，在适宜的地球化学条件，选择有利的地质环境富集、沉淀形成矿床的过程地下水与矿床的关系成矿溶液即地下水地下水可将分散于岩石中的元素溶汲出来，使其发生迁移与富集过程，并在合适地段成矿地下水还可改造或破坏已有矿床成矿过程中水的地球化学循环地下水的成矿作用在各种成因的地下水中——“内生水的成矿作用”一般与岩浆活动过程有关，内生矿床的成矿机理比较复杂，本课程暂不讨论；与渗入成因水相比，沉积成因水的成矿作用更加普遍；沉积成因水中富含更多的成矿组分；沉积盆地中的沉积物压实过程与深部变质过程有利于沉积物中金属元素的淋滤。沉积盆地中有利于地下水淋滤成矿物质的因素在沉积物压实阶段，结合水继自由水之后被排出，其活化后侵蚀性很强，有利于淋滤围岩中金属元素进入水中，而随TDS的增加，Cl在水中富集，将进一步提高水的侵蚀性；在沉积物压实阶段，某些矿物可转变为其他矿物（如长石转变为高岭石或蒙脱石），在此过程中矿物中的某些金属元素可进入水中（同时可能伴随有水中的金属元素进入矿物结晶格架）；盆地深部的沉积岩变质过程也将导致金属元素向水中淋滤；深部变质过程产生的大量CO2将增加水的侵蚀性，有利于围岩中金属元素的淋滤。沉积物的压实、脱水、成岩、变质的过程，也是岩石中的成矿元素不断迁移和水中成矿元素不断富集的过程。成矿过程中水的地球化学循环沉积盆地中的水循环对成矿作用的影响根据水动力条件，沉积盆地由上至下可分为3个水动力带：1、沉积盆地上部：水的运动受静水压力驱动，运动方向为自补给区至排泄区2、沉积盆地过渡带：沉积物的压实过程正在进行对于封闭含水层，在此过程中水压力与土体介质的有效应力一起上升；对于未封闭的含水层，在此过程中水向上排出，水压力逐渐降低，直到达到与上部沉积物的水压力平衡为止。这一过程可视为过渡带水压力重新分配的过程，随着沉积过程与压实过程的进行，该过程将往复进行，持续非常长的时间。3、沉积盆地底部：沉积物的压实过程已完成，沉积层中的重力水与弱结合水已完全排出成矿过程中水的地球化学循环沉积盆地中的水循环对成矿作用的影响过渡带的某些位置是进行成矿作用的有利地段。在过渡带，下部含水层的水在排出过程中水压力逐渐减小，与上部含水层的水压力达到平衡；在水压力达到动态平衡的地段，地下水在一定时期内处于滞流状态，其化学组分在此地段聚集，如此地段同时存在相应的储矿构造，则将会形成矿床。成矿过程中水的地球化学循环结论矿体的物质来源并不仅是其储存位置的围岩，而是整个含水系统；矿体围岩不过是提供了贮矿空间及适宜的地球化学环境；沉积盆地中的成矿物质主要来源于下垫岩层或最深部岩层；而在渗入成因水主导成矿过程的剥蚀陆台区，物源是上覆岩层或构造隆起的部分岩层。成矿过程中水的地球化学循环第二节水文地球化学的应用定义在人类活动影响下所产生的地下水水质向恶化方向发展的现象关于定义中“人类活动影响”的阐述所谓地下水污染，前提为水质的恶化是人类活动引起的天然地质环境中也可能出现不宜人类饮用或作其他用途使用的地下水——应称为“原生劣质水”从科学术语的严谨性看，将“受污染地下水”与“原生劣质水”混为一谈是不可取的天然劣质水是在漫长的地质历史时期内形成的，是不以人类意志为转移的，而地下水污染是可以预防并控制的，对这两个概念进行区分有利于人们有目的地保护或改造地下水水质，把目标锁定在“受污染地下水”上，而不是去盲目地试图改造“原生劣质水”地下水污染定义在人类活动影响下所产生的地下水水质向恶化方向发展的现象关于定义中“水质发展方向”的阐述只要地下水水质向恶化方向发展，不论恶化程度是否达到影响人类使用的程度，都应视为地下水污染判别地下水污染的意义在于预防地下水污染，如待水质恶化到超过水质标准才定义为“地下水污染”，就失去了预防的意义在理论上，未被污染的地下水应该是水中各种组分在背景值范围内的地下水由于背景值很难获得，故此值一般以历史时期的水质参数或区内无明显污染源地段的水质参数来代替地下水污染含义在人类活动影响下进入地下水系统的溶解物或悬浮物上述物质使地下水水质向恶化方向发展无论上述物质的浓度是否达到使水质超过使用标准的程度，都应视为污染物分类化学污染物生物污染物放射性污染物地下水污染物化学污染物无机污染物NO3-、Cl-、硬度（Ca2++Mg2+）、SO42-、总溶解固体（TDS）F、As（地下水中的F、As常为地质成因）、Cr、Hg、Pb（酚、氰、汞、铬、砷并称五毒）有机污染物：含量甚微，一般是ppb级（10-9），或是ppt级（10-12），但多数有毒，且种类繁多；以卤代烃类挥发性有机物最普遍，如二、三、四氯乙烯、氯仿（即三氯甲烷）生物污染物细菌、病毒和寄生虫放射性污染物Ra-226、Sr-90、Pu-289、Cs-137等（铀矿、核工业废水）地下水污染物按成因分为人为污染源液体废物：如生活污水、工业污水；固体废物：如生活垃圾、工业垃圾及污泥；农业活动产生的污染物：如农药、化肥等。天然污染源天然存在的污染源，但在人为活动的影响下才使污染物进入地下水环境，如海水入侵。按分布形式分为点污染源面污染源（如大面积降落的酸雨）地下水污染源特点隐蔽性感观指标和生物指标（如地表水的生物种类减少）不显著难