第一章 地球上的水及其循環(huán)

1．1 地球上的水①

地球是一個(gè)富水的行星。地球上的水不僅存在于大氣圈、地球表面、巖石圈和生物圈中，也存在于地球深部的地幔乃至地核中。

關(guān)于地球上水的起源，曾有多種假說。目前普遍接受的看法是：組成地球水圈的水（包括地表水與地下水）是在原始地殼形成以后，在整個(gè)地質(zhì)時(shí)期內(nèi)從地球內(nèi)部不斷逸出而起源的。

地球各個(gè)層圈水的分布狀況及其存在狀態(tài)都有很大差別，可以區(qū)分為淺部層圈水與深 部層圈水兩大部分。

從大氣圈到地殼上半部屬淺部層圈水。其中分布有大氣水、地表水、地下水以及生物體中的水，這些水均以自由態(tài)H2O分子形式存在，以液態(tài)為主，也呈氣態(tài)與固態(tài)存在。

據(jù)聯(lián)合國(guó)教科文組織資料，不包括生物體中的水與礦物中的水，淺部層圈中水的總體積約為13.86×108km3。若將這些水均勻平鋪在地球體表面，水深約為2718m。但其中咸水約占97.47％，淡水只占53％。各類水體的體積及比例參見表1—1〔中國(guó)大百科全書·大氣科學(xué)·海洋科學(xué)·水文科學(xué)，1987〕。

表1-1 地球淺部層圈水的分布

水 體 大 氣 體

海 洋 冰川和永久積雪

地表水

湖 泊 沼 澤 河 流 包氣帶水

地下水

合 計(jì)

物圈及巖石圈礦物結(jié)合水。

體積（km3）

12 900

1 338 000 000 24 064 100 176 400 11 470 2 120 16 500 23 400 000

300 000 1 385 983 490

％ 0.001 96.5 1.74 0.013 0.0008 0.0002 0.001 1.7 0.022 100

飽和帶水 永久凍土帶固態(tài)水

據(jù)聯(lián)合國(guó)教科文組織資料，轉(zhuǎn)引自中國(guó)大百科全書《大氣科學(xué)·海洋科學(xué)·水文科學(xué)》卷。未包括生

表l—1中未包括生物圈的水及礦物結(jié)合水。人體構(gòu)成中水平均占70％。植物體的水分含量可高達(dá)90％以上。礦物結(jié)合水是指礦物結(jié)晶內(nèi)部及其間的水，如沸石水、結(jié)晶水、結(jié)構(gòu)水等。三基礬石（Al4〔(OH)10SO4〕·36H2O）含礦物結(jié)合水按重量比為65％，其它如正長(zhǎng)石為17％，黑云母為48％。整個(gè)地殼礦物組成中礦物結(jié)合水含量可達(dá)4.2×108km3 〔捷爾普戈里茲，1983〕。礦物結(jié)合水在一定溫度下從礦物中釋出成為自由態(tài)的水（H2O），與其它水體相互轉(zhuǎn)換。

地球深層圈水分布于地殼下部直到下地幔這一范圍內(nèi)。在地殼下部深約15—35km處，

①

撰寫1．1及1．2．2節(jié)時(shí)主要參考了文獻(xiàn)〔區(qū)永和等，1988〕。

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地溫達(dá)400℃以上，壓力也很大，這里的水不可能以普通液態(tài)水或氣態(tài)水形式存在，而成為被壓密的氣水溶液。

關(guān)于地幔的含水量，有關(guān)學(xué)者通過不同方式得到的結(jié)論基本一致。認(rèn)為未經(jīng)去氣作用的地幔物質(zhì)約含5％—7％的水。假定地�？傊亓繛�4×1027g，其中熔融物質(zhì)占25％，則地幔軟流層中所含的水分總量約相當(dāng)于現(xiàn)代海洋水總量的35—50倍。據(jù)推測(cè)，在極高的溫壓下，這里的水電離為H+及OH-，甚至近一步電離為H+及O2-。當(dāng)軟流層的巖漿沿通道上升，溫壓降低時(shí)，氫、氧離子將結(jié)合為自由態(tài)的水（H2O）而析出〔區(qū)永和等，1988〕。

地球深層圈中特殊高壓高溫下的離解狀態(tài)的水，以及地殼礦物內(nèi)部的結(jié)合水，均是以非自由態(tài)存在的水。傳統(tǒng)的觀點(diǎn)未將這些水納入地球水圈之內(nèi)，這是值得商榷的。首先，存在于地球各層圈的水具有共同的來源。其次，目前已有許多證據(jù)說明，地球深層圈的水和礦物結(jié)合水均與地球淺層圈中自由態(tài)的水相互轉(zhuǎn)化，地球各層圈中以各種形式存在的水是一個(gè)相互聯(lián)系、相互轉(zhuǎn)化的整體。而且，在成巖、成礦、巖漿、變質(zhì)等過程乃至地球形變過程中，深層圈的水及礦物結(jié)合水都發(fā)揮著重要的不可忽視的作用。我們認(rèn)為，廣義的水圈應(yīng)當(dāng)包括地球各層圈中以各種不同狀態(tài)存在且相互轉(zhuǎn)化的所有的水。

1．2 自然界的水循環(huán)

自大氣圈到地幔的地球各個(gè)層圈中的水構(gòu)成一個(gè)系統(tǒng)。這一系統(tǒng)內(nèi)的水相互聯(lián)系、相互轉(zhuǎn)化的過程即是自然界的水循環(huán)。

自然界的水循環(huán)按其循環(huán)途徑長(zhǎng)短、循環(huán)速度的快慢以及涉及層圈的范圍，可分為水文循環(huán)和地質(zhì)循環(huán)兩類（圖1—1）。

1．2．1 水文循環(huán)

水文循環(huán)是發(fā)生于大氣水、地表水和地殼巖石空隙中的地下水之間的水循環(huán)，水文循環(huán)的速度較快，途徑較短，轉(zhuǎn)換交替比較迅速。

水文循環(huán)是在太陽輻射和重力共同作用下，以蒸發(fā)、降水和徑流等方式周而復(fù)始進(jìn)行的。平均每年有577 000km3的水通過蒸發(fā)進(jìn)入大氣，通過降水又返回海洋和陸地。

地表水、包氣帶水及飽水帶中淺層水通過蒸發(fā)和植物蒸騰而變?yōu)樗�蒸汽進(jìn)入大氣圈。水汽隨風(fēng)飄移，在適宜條件下形成降水。落到陸地的降水，部分匯集于江河湖沼形成地表水，部分滲入地下。滲入地下的水，部分滯留于包氣帶中（其中的土壤水為植物提供了生長(zhǎng)所需的水分），其余部分滲入飽水帶巖石空隙之中，成為地下水。地表水與地下水有的重新蒸發(fā)返回大氣圈，有的通過地表徑流或地下徑流返回海洋。水文循環(huán)的過程參見圖1—1中的7—10及圖1—2。

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圖1-1 自然界的水循環(huán)

〔據(jù)阿勃拉莫夫〕

Ⅰ—海洋水；Ⅱ—沉積蓋層；Ⅲ—地殼的晶質(zhì)巖；Ⅳ—巖漿源；Ⅴ—地幔巖；Ⅵ—大陸冰蓋；1—來自地幔源的初生水；2—返回地幔的水；3—巖石重結(jié)晶脫出水（再生水）；4—沉積成巖時(shí)排出的水；5—和沉積物一起形成的埋藏水；6—與熱重力和化學(xué)對(duì)流有關(guān)的地內(nèi)循環(huán)；7—蒸發(fā)和降水（小循環(huán)）；8—蒸發(fā)和降水

（大循環(huán)）；9—地下徑流；10—地表徑流

圖1—2 水文循環(huán)示意圖

1—隔水層；2—透水層；3—植被；4—云；5—大循環(huán)各環(huán)節(jié)；6—小循環(huán)各環(huán)節(jié)；a—海洋蒸發(fā)；b—大氣中水汽轉(zhuǎn)移；c—降水；d—地表徑流；e—入滲；f—地下徑流；g—水面蒸發(fā)；h—土面蒸發(fā)；i—葉面蒸發(fā)

（蒸騰）

水文循環(huán)分為小循環(huán)與大循環(huán)。海洋與大陸之間的水分交換為大循環(huán)。海洋或大陸內(nèi)部的水分交換稱為小循環(huán)。通過調(diào)節(jié)小循環(huán)條件，加強(qiáng)小循環(huán)的頻率和強(qiáng)度，可以改善局部性的干旱氣候。目前人力仍無法改變大循環(huán)條件。

地殼淺表部水分如此往復(fù)不已地循環(huán)轉(zhuǎn)化，乃是維持生命繁衍與人類社會(huì)發(fā)展的必要前提。一方面，水通過不斷轉(zhuǎn)化而水質(zhì)得以凈化；另方面，水通過不斷循環(huán)水量得以更新再生。水作為資源不斷更新再生，可以保證在其再生速度水平上的永續(xù)利用。大氣水總量雖然小，但是循環(huán)更新一次只要8天，每年平均更換約45次。河水的更新期是16天。海洋水全部更新一次需要2 500年〔中國(guó)大百科全書·大氣科學(xué)·海洋科學(xué)·水文科學(xué)，1987〕。地下水根據(jù)其不同埋藏條件，更新的周期由幾個(gè)月到若干萬年不等。

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1．2．2地質(zhì)循環(huán)

地球淺層圈和深層圈之間水的相互轉(zhuǎn)化過程稱為水的地質(zhì)循環(huán)。

上地幔的高溫熔融的塑性物質(zhì)（軟流圈）的大規(guī)模對(duì)流，驅(qū)動(dòng)著地殼板塊的不斷運(yùn)移。在軟流圈上升流區(qū)，上地幔熔融物質(zhì)進(jìn)入地殼或噴出地表時(shí)，地幔巖中的水分也隨之上升與分異，轉(zhuǎn)化為地球淺層圈的水。這種由地幔熔巖物質(zhì)直接分異出來的水稱為初生水（圖1—l中1），據(jù)E·K·馬爾欣寧（1967）利用千島群島火山研究成果，推算出全球所有島弧由火山噴發(fā)作用、水熱作用和噴氣作用，每年溢出地表的初生水約為2×108t。在下降流區(qū)，含有大量水的地殼巖塊俯沖沉入地幔，使地幔得到淺層圈水的補(bǔ)充。

此外，自然界的地質(zhì)循環(huán)還發(fā)生在成巖作用、變質(zhì)作用、風(fēng)化作用等過程中。在這些地質(zhì)作用過程中，不僅有分子態(tài)的水（H2O）進(jìn)入礦物（成為礦物結(jié)合水）或從礦物中脫出，同時(shí)還常常伴有水分子的分解與合成。例如，區(qū)域變質(zhì)作用時(shí)，粘土礦物與碳酸鹽巖重結(jié)晶時(shí)，即分解出H+和OH-及其它組分。在形成新的鋁硅酸鹽巖石的同時(shí)，H+和OH-合成為H2O，形成再生水（圖1—l中3）。風(fēng)化作用中也有水的參與。如長(zhǎng)石的風(fēng)化過程： 4KAlSi3O8+6H2O＝Al(Si4O10)(OH)8+8SiO2+4K++40H-

（鉀長(zhǎng)石） 粘土礦物（高嶺土） （膠體） （溶液）

據(jù)推算，原生鋁硅酸鹽巖石完全風(fēng)化為粘土?xí)r，將有15％—30％的水分被分解，并進(jìn)入礦物的組成。礦物結(jié)合水的形成與脫出，也是水的地質(zhì)循環(huán)的一部分〔沈照理等，1985〕。 由上述可知，水文循環(huán)與地質(zhì)循環(huán)是很不相同的自然界水循環(huán)。水文循環(huán)通常發(fā)生于地球淺層圈中，是H2O分子態(tài)水的轉(zhuǎn)換，通常更替較快。水文循環(huán)對(duì)地球的氣候、水資源、生態(tài)環(huán)境等影響顯著，與人類的生存環(huán)境有直接的密切聯(lián)系。水文循環(huán)是水文學(xué)與水文地質(zhì)學(xué)的研究重點(diǎn)。水的地質(zhì)循環(huán)發(fā)生于地球淺層圈與深層圈之間，常伴有水分子的分解與合成，轉(zhuǎn)換速度緩慢，過去常被人們所忽視。隨著對(duì)各種成巖、成礦地質(zhì)作用認(rèn)識(shí)的深化，水參與各種地質(zhì)作用過程的意義不斷被人們所認(rèn)識(shí)。研究水的地質(zhì)循環(huán)，對(duì)于深入了解水的起源，水在各種地質(zhì)作用過程乃至地球演化過程中的作用，都具有重要意義。

1．3 與水文循環(huán)有關(guān)的氣象、水文因素

1．3．1 氣象因素

自然界中水循環(huán)的重要環(huán)節(jié)——蒸發(fā)、降水，都與大氣的物理狀態(tài)密切相關(guān)；氣象和氣候因素對(duì)水資源的形成與分布具有重要影響。

1．3．1．1 大氣圈的結(jié)構(gòu)

大氣的主要成分是氮（78％）和氧（21％），此外還有二氧化碳、臭氧、水汽及固態(tài)塵埃等。

水汽在大氣圈中分布不均勻。以體積百分比表示，大氣中水蒸汽的含量平均為：赤道帶

2.6％，北緯70°處0.2％，90°緯度帶0.9％。在大氣層中水汽的垂向分布也不均勻。大氣圈最下部3.5km范圍內(nèi)集中了其全部水量的70％，下部5km范圍內(nèi)含全部水量的90％，再往高處水汽含量已十分稀少了。

據(jù)衛(wèi)星探測(cè)資料，大氣圈厚達(dá)2000—3000km。但是，大氣的密度隨高度增加呈指數(shù)函數(shù)衰減。根據(jù)大氣的熱力性質(zhì)，自地表而上可將大氣圈分為5層，對(duì)流層、平流層、中層、熱層和外層。

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對(duì)流層最接近地表，水汽也主要分布在對(duì)流層的下部。因此，對(duì)流層的物理狀態(tài)及運(yùn)動(dòng)規(guī)律是影響水文循環(huán)和水資源分布的最重要的因素。