地壳中水的地球化学循环

Question

如题所述

Answer 1

地壳中水的地球化学循环是瓦什尔采夫引进的一个概念^〔1〕。它的含义是，在沉积－变质过程（作用）有次序的有方向的发展中，在岩石、有机物及气体经历的地球化学改造中，导致水的直接参与，产生水的分解和合成等作用与现象的总和。这种循环的模式表示于图4.3。

如图4.3所示，水的地球化学循环开始于表生带的风化作用，一直到深部变质作用带，经变质作用形成再生水（变质成因水）返回地表为止，为一轮地球化学循环的结束。老的循环结束，新的循环又开始，周而复始不断的进行下去。

地壳中水的地球化学循环是相当复杂的问题，下面仅作初步的讨论。

图4.3　水在地壳中的地球化学循环^〔1〕

（一）表生带中水的地球化学循环

风化作用是表生带的重要作用，水是这种作用的积极参与者。在反应过程中，各种岩石和矿物由于溶解而被改造，与此同时，水本身也不断地离解为H⁺和OH^-。在常温下，水的离解常数为10-^-15—10^-11。由于离解常数很小，水本身离解出的H⁺和OH^-是微不足道的。但是，在如铝硅酸盐一类矿物的水解（亦即非全等溶解）反应中，不仅使水不断增加一些新的组分，或者使水中已有的组分浓度升高，而且形成新的粘土矿物，例如，钠长石经水解作用后，形成高岭石，其反应如下：

水文地球化学基础

在上述反应中，有一部分水离解的

进入高岭石而被固定，一部分H⁺结合到

和H₄SiO₄里，反应的结果，破坏了水的离解平衡，从而促进水分子的进一步离解。

上述反应所形成的

在碳酸盐矿物未达到溶解平衡时，它随地下水进入河流，A被带到沉积盆地。如果水交替缓慢，水与碳酸盐达到饱和时，

离解为H⁺和

形成碳酸盐沉淀，从而使原来与CO₂结合的OH^-中的氧与氢分离，使氧与碳酸盐结合而固定。

综合以上所述，可以用下式表达岩石（硅酸盐岩石）被水改造的一般形式：

水文地球化学基础

从这个一般表达式中可归纳成下面一段话：地壳中不断运动的水在与原生硅铝酸盐相互作用过程中，不仅改变了水的化学成分，水本身也在不断的离解，所离解出的氢和氧的离子的形式与次生矿物（粘土矿物、碳酸盐矿物等）结合（固定）在一起。水的离解作用是十分巨大的，它不取决于离解常数，其离解的规模决定于水解作用（不全等溶解）的规模。

（二）沉积盆地深部水的地球化学循环

水的离解不仅在表生带中的岩石风化过程中发生，而且在沉积盆地深部也在进行。

沉积物在沉积盆地被埋藏下来后，其成分并不是一成不变的，随着沉积厚度的增加，会发生一系列的变化。当沉积厚度增加而使地静压力增到一定程度时，在表生带风化作用所形成的高岭石和蒙脱石逐步减少，直至消失。它们可转化为伊利石或绿泥石。以蒙脱石为例，在2000m左右的深度里，一部分蒙脱石便开始转变为伊利石或绿泥石，地层粘土矿物具有蒙脱石－伊利石（或绿泥石）混层的特点；到深度3000m左右，地层粘土矿物则具有以伊利石（或绿泥石）为主的特点。在富钾的地下水环境里，蒙脱石会转变为伊利石；在富镁的地下水环境里，蒙脱石会转变为绿泥石。上述反应的表示式如下：

蒙脱石→伊利石

水文地球化学基础

蒙脱石→绿泥石

水文地球化学基础

上述反应说明，当蒙脱石转变为伊利石（或绿泥石）时，不仅有溶解组分（K⁺、Mg²⁺）参与，而且水分子本身也参与了。按上述反应式进行简单的计算说明，蒙脱石转变为依利石时，仅有相当于蒙脱石重量的1.6%的水（按依利石氢氧和蒙脱石氢氧的差值与蒙脱石重量之比算）被结合到依利石里；而蒙脱石转变为绿泥石时，则有相当于蒙脱石重量40.3%的水（计算方法同上）被结合到绿泥石里。这就说明，在沉积盆地深部水的地球化学循环过程中，由于蒙脱石向绿泥石的转化，同样可以促进大量的水不断地离解，这种现象是广泛分布的地质现象。

上述水中的地球化学循环，不仅促进着水的离解、水中的氢氧结合到新生成的粘土矿物中，而且也使水的化学成分有明显的改变，由富钾或富镁水变为贫钾或贫镁水。

在沉积盆地深部，除了粘土矿物的转化外，还可能产生含水矿物重结晶脱水的现象，例如石膏（CaSO₄·H₂O）变为硬石膏（CaSO₄）:

CaSO₄·2H₂O→CaSO₄+2H₂O

这种反应正好与蒙脱石转化为绿泥石的情况相反，它不是使水固定于新生成的矿物里，而是使结晶水从矿物中脱出。

（三）地球深部变质带中水的地球化学循环

在地壳中不仅进行着水的分解，而且还有水的合成。区域变质带中水的合成作用比较发育。在此带中，粘土矿物与碳酸盐重结晶转变为原生（内生）铝硅酸盐。在这里，因水解作用而分开的H⁺与O^2-重新化合形成再生水，与此同时还生成了CO₂。例如，绿泥石重结晶为黑云母要释出6%—10%（重量）的水。毫无疑问，这种水的合成作用在地壳的其它地方也会存在，估计在地幔中就有。但是，变质带是这种现象表现得最典型的地方。

变质溶液是参与变质作用的必要条件之一，变质溶液的主要组分即是不同成因的地下水，而变质作用过程中又会有再生水的形成。

水的参与影响变质作用的进程。变质溶液（流体）压力（pf）是影响变质作用的重要因素，它主要由水和二氧化碳等压力（pf=p_H2O+Pco₂）构成。p_H2O/pf在地壳中呈有规律变化。例如，当达白云母稳定温度上限时，此系数为0.5—1.0；当玄武岩在变质带发生熔融时（1000℃）为0.2；在有碳酸盐岩石参与变质时，由于Pco2增大，此系数相对降低；在区域变质中，此系数可达0.8左右，一般说来，p_H2O受深度影响小，主要受温度控制。含水矿物的形成和分解与温度关系密切，因此各种含水矿物实际上可起温标作用。在前进变质高温阶段，CO₂含量特多，而水逐渐减少，直至该系统脱水引起岩石熔融时，上述作用表现最为剧烈；而在退化变质作用时，由于耗水量大，p_H2O渐小，至一定程度变质作用实际上停止，这样即可使高温矿物组合保存下来。

水是变质反应的融媒。水量多少影响变质反应。当无水时，一些反应即停止了。这是由于水具有强溶剂性质，水的参与可破坏原始化合物的稳定性，使参加反应的颗粒数目增多；水的参与可引起扩散作用发生；水的参与也加快了晶胞生长速度。例如，镁橄榄石的形成（SiO₂+2MgO→Mg²⁺SiO₄）在无水环境中，1000℃条件下，4天内仅有26%的MgO原始物质转为镁橄榄石；而在水溶液中，同样4天时间，只要温度达到450°C，即可完成反应。也就是说，水的介入可使相同温度条件下的反应速度加快10e—109倍，而且这一反应并不需要大量的水。实验证明，只要在接触界面上有吸着水的薄膜即可出现上述情况。

水的参与提高了矿物的结晶能力。根据菲克第一定律，即晶体生长速度取决于扩散物质的浓度及扩散系数。在固相中熵低，扩散系数小；在水溶液中熵高，扩散系数大，有时要大几个数量级。因此在水溶液中晶体生长速度快，并可降低形成温度。例如重矽线石（捕虏体）在橄榄岩中的结晶温度，比在无水熔体中要低400°C。

变质作用过程中，物质的溶解、迁移和重新配布均需通过水进行。而在高温、高压下的水与在一般条件下的水有很不相同特性，水的离子化作用增强，络化作用增强，密度减小，侵蚀性显著增强，这些特性对于水参与变质活动起重要作用。

由此不难看出，水在变质作用过程中所起的作用是重要的，它既影响到岩石的变质程度和变质矿物的特征，而在变质过程中又不断有水被分解和固定，也有含水矿物不断脱水转入岩石空隙中，这种再生水的形成规模和数量必然会对地下水的质量产生有特征意义的变化。

水是一种易挥发组分，具有很强的活化能力，因此水的参与对岩浆系统的相平衡及硅酸盐熔体的物理性质有重要影响，并对岩浆的形成和分异可能起一定作用。

水的参与可能改变地幔物质熔融的条件。据软流层的一些特征，如纵横震波速减小，导电率增高等，可能与H₂O和CO₂的参与，使熔融温度降低有关，并使之易于变形和粘滞性降低。水的参与可降低硅酸盐熔体的结晶温度，增强其活动性，并有利于热和能的对流和转移。此外，参与岩浆活动的水量多少也影响岩浆的结晶过程及晶出物的成分特征。

综上所述，可归纳成如下结论：

（1）不能把岩石仅仅看作是贮存地下水的场所，或者是地下水运动的通道，而必须把岩石看作是活泼的化学反应剂，它能使水分子不断的解离，并使解离出来的氢和氧固定在新形成的矿物里。

（2）在水的地球化学循环过程中，水随沉积物埋藏到比较大的深度时，它不仅是简单地从岩石（或沉积物）中被挤压出来，也不仅是起到溶解各种矿物和沉淀出各种化合物的作用；水在这个过程中，还不断地离解，并使离解出来的氢和氧结合到新的矿物中，而且在深部变质带中，还产生水的合成，产生变质水（再生水）。

（3）水与岩石和矿物相互作用的初期，水中的组分基本上与岩石中的组分相同，但随着这种相互作用的发展，一些组分由于沉淀或矿物种类的转化而浓度明显减低，而另一些组分相对富集；相互作用的时间越长，或所处的环境变化越大，水中的组分与原始岩石组分间的差异越大。因此，通常认为水的成分与围岩的成分等量齐观的看法往往是片面的。当水中大量出现岩石中含量很少的元素时，便认为是有别的补充来源，如有深源物质参与等。实际上，在大多数情况下，这种现象是水与岩石在不同环境下长期相互作用的结果，也就是说，是水的地球化学循环的结果。这个认识，不仅对理解地下水化学成分的形成有用，对探讨与研究成矿元素的来源同样具有参考价值。