海相碳酸盐岩陆源砂泥岩沉积体系水的初始化学再造
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发布时间：2022-05-01 09:02
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时间：2022-06-27 04:06
海相碳酸盐岩和陆源砂泥(页)岩组成的沉积体系水的初始化学应与现代海洋水化学相似，并将其与该沉积体系水的现代化学对比，可得出两者化学平衡的差异，进而识别其同生沉积水化学形成后至今的整个地史时期里演化的结果是浓缩盐化正向变质还是稀释淡化反向变质作用形成的。鉴于当代关于海洋水含盐量在地史进程中的稳定性存在两种观点，这就关系到怎样界定该岩性组合的海相同生沉积水初始化学的问题。
1.关于古代海洋水含盐量在地史过程中的稳定性问题
一种是所谓“稳定论”比较公认的假设是现代大气圈和水圈的形成是上地幔脱气的结果。地球从一开始形成水圈时起，海洋水的含盐量在时空分布上是相对稳定的，未发生较大的变化。根据发表的岩石成分和有机质资料方面的众多论著推断，大洋水在前寒武纪已经盐化了，自寒武纪起大洋水化学成分没有遭到严重破坏(В.В.Руби1957，A.Л.Яищин1961，М.Г.Валящко1971)。持有该观点的诸如有:A.П.Виноградов(1959、1967)认为地球表面存在还原条件，由于大气圈缺乏大量调节的氧气，导致CO2和CH4的存在。太古宙、元古宙以二氧化碳和氮气为主。大洋及大气圈成分最后的急剧变化和消失发生在30～20亿年间，这时出现了光合氧，在此之前出现的古植物及其有机物的痕迹表现形式为碳酸盐，岩石中的有机物、矿物中的氧化铁，以及其他直接说明大气圈氧化的沉积物。Б.П.Жиченко(1959)认为在那个时代一系列铁的化合物(二价铁的氯化物、铁的碳酸盐类等)是稳定的，这是由于不论在气圈中，还是在河水和洋水中自由氧的量很少，因此铁可以携出流到远离岸边的地方才沉淀下来，不能说明太古宙和古元古代海洋水的低盐度。Л.A.Зенкевич等(1971)认为大洋水盐量的改变对海相生物(化石)影响的现有资料证实，以显体动物而论，世界海洋水的含盐量不能低于32～34g/kg，有时还可升高到40～45g/kg。
据此，笔者支持“稳定论”的观点，古代海洋水含盐量在各地质时期不可能是同一的，即使同一地质时期海洋水含盐量在空间分布上也不可能是相同的。但可视为地史时期不同地质阶段海洋水化学基本上是相似或相近的，故可将现代海洋水TDS，特别是宏量阳离子和生物成因组分的含量与阴离子Cl－的离子比值是稳定的，可作为古代海相碳酸盐岩砂泥(页)岩沉积体系同生沉积水初始化学的特征。
另一种是所谓“可变论”。认为海洋水的含盐量在地史过程中发生过剧烈的变化。诸如:Η.М.Страхов(1960、1962)认为太古代的古海洋与现代的很不一样，可能是淡水或微咸水，之后逐渐咸化成为大湖似的盆地。这些盆地水中铁的化合物活动性很强，大量薄层铁矿层的沉积证实了这些水含盐量较低，并将地球水圈的历史划分为四个主要时期:第一期称为亚速期，水为氯化物成分，酸性的、饱和了二氧化碳;第二期为太古(宙)期，特点是水中有充足的碳酸盐，水变为重碳酸盐-氯化物成分;第三期为元古(宙)期，由于火山喷发，硫强烈氧化，水具有硫酸盐-重碳酸盐-氯化物成分;最后一期，由于大气中二氧化碳的减少，大洋水变为硫酸盐-氯化物成分。众多的研究者将二叠纪与三叠纪之间化石急剧变化证明海洋水的含盐量下降至30g/kg。И.С.грамберг(1959)粘土岩吸附性综合体的研究证明了海洋水含盐量的变化。还有通过计算确定太古代、古生代海洋水的含盐量为10‰～14‰，早三叠世海退时为26.1‰，而现代海洋水为35‰。还有与其相悖的看法是水圈形成初期已经发生盐化，随着地史的进程是逐渐淡化的。
现有的关于地球的起源、地球发展的早期水圈和大气圈成分在颇大程度上属于假设性的，研究者仍在持续不懈地探索、发现新的资料和证据，在论争中不断取得新进展。
现将视域由古代转向现代领域，以海相沉积层深层水现代化学、海洋水和海洋底部软泥水化学的实际资料为例，将今论古反证对古代海洋水化学的稳定性。
2.关于现代海洋水含盐量在时空分布上的稳定性问题
笔者跟随我所前辈完成了由原地质矿产部主持组织的于1986～2000年间在中、东太平洋进行多金属结核调查研究的三项任务，以及由国家自然科学基金委资助的南海北部海域软泥水研究项目，从而获得了海洋水和海洋底部软泥水化学测试的大量资料。
现将太平洋中部和南海北部概括的海洋水化学参数均值与长期以来惯用的海洋水同名参数均值进行对比(表5-3)表明:
表5-3 海洋水和软泥水的化学参数特征值
注:表中SO4/Cl、Cl/Br为离子含量比值，其他均是摩尔浓度比值。
(1)太平洋表层水(在水面下2～3m深度采集的样品)至界面水(洋底沉积物与大洋水接触处的水)除Na+、Mg2+含量均值呈微降值外，其他阴、阳离子含量均值和TDS均值均呈微增值变化，离子摩尔浓度比的均值呈微降值变化。
(2)南海表层水至底层水(距海底沉积物100～200m深度采集的样品)阳离子含量均值呈微降值变化，阴离子含量均值和TDS均值呈微增值变化，离子摩尔浓度比的均值呈微增或微降值变化。
(3)海洋水阳离子含量均值和TDS均值均略高于太平洋水和南海海水的均值，而阴离子含量均值和离子摩尔浓度比的均值介于太平洋水和南海海水的同名参数的均值之间。
惯用的海洋水化学参数的均值与太平洋界面水、南海底层水的同名参数值相比，除TDS偏高、Cl/Br偏低外，各类参数均值的差异均在小数后的第二或第三位。由此可得出结论，虽然与地质时期相比是个短暂的时间，海洋水的各类参数值在时空上分布是基本稳定的。笔者认为现代海洋水与古代海洋水的化学组分含量、含盐量不可能是完全同一的。从现代海洋水的含盐量变化可资证明，例如在不同的大洋、陆缘海，或者在同一大洋或陆缘海的不同海域，或不同深度的含盐量也是有差异的。海洋水的含盐量取决于气候、水交替强度，又受控于地理分带的规律性。
汪蕴璞、林锦璇等根据地质矿产部“海洋4号”船于1988～1995年间采用美国EGSG公司生产的MKIII型温盐深水文探测仪(CTD)系统监测的8个测站5000多米水深的温度、盐度、浓度(TDS)以及底层采水器和大型活塞采样器采集的水样，由我所测定获得了大量水化学资料。经对测试资料分析研究，提出了大洋水物质模型具有两个显著相关的特性:一是在大洋水系统的垂向上，绝大多数组分的浓度随水深增大呈现不同程度的增高变化，构成正向浓度梯度剖面，由于组分之间存在可逆反应，使有些组分呈现增降相间变化，抑或由于某些局部因素的干扰和影响，使化学剖面出现正的或负的异常，但构成正向浓度梯度剖面的总趋势是不变的;二是与洋底沉积物接壤处的界面水是大洋水物质成分在水体中运移到达的最后一个“站”，形成了绝大多数化学组分聚集的地球化学垒。这两个互为相关的特性是大洋水物质成分分布形成的基本属性。大洋水物质模型的形成取决于各种各样作用的影响因素，包括物源供给的性质和数量，大洋水的对流和平流导致水的混合，海洋生物生存和死亡的过程中选择性地对水中物质成分的吸收和释放，以及溶液中发生的化学的、物理化学的、胶体化学的和生物化学的等作用。各种作用在不同程度上均可影响和改变大洋水化学组分浓度在空间坐标上的分布，既可使其发生浓集效应，又可使其发生贫化效应，但无论用哪种作用来解释大洋水物质成分分布形成的本质属性均是困难的;试图用各种作用的叠加和综合作用的结果来解释在原则上是成立的，但未抓住大洋水物质成分分布形成的本质作用。他们认为大洋水中存在的简单离子、络阴离子、分子、胶体等物质均处在不断地运动状态，不断地发生空间位置的变化，但这种位置的变化不是杂乱无章的，总是沿着一定的方向作有序的运动，即沿着自身运动的方向上变化着位置。液相大洋水系统物质组分的运动受阻的力量要比固相系统中运动要小得多，更易运移和变换其空间位置。基于上述，提出了重力和溶质质点热运动自扩散力两种物理力的合力在大洋水系统垂向上产生的质点粒子流运动的方向是同向的，均是向下运动的，而溶剂质点的粒子流是向上运动的。在重力和溶质质点的自扩散力向下运动的合力与溶剂质点向上运动的力共同作用下，抵抗、减弱和改变其他作用造成化学组分在空间坐标上的分布位置，导致溶质质点沿着两者合力的方向上产生和形成浓度梯度递增的正向剖面。
由上述可获得延伸的重要结论，界面水化学组分含量和TDS最接近海洋底部沉积物同生沉积水化学的特性。
3.关于软泥水化学特征及其变质作用问题
(1)软泥水及其化学成分特点:软泥水隶属于海洋底部的水。它是与海洋底部沉积物沉积时同时储存在沉积物颗粒孔隙中的水，可视其为最早赋存在沉积物中的同生沉积水，其化学特性应与界面水化学是相同的，但软泥水毕竟已脱离了浩瀚的海洋水体成为软泥的组成部分，其所处的环境发生了变化，引发各类水化学参数值产生增降变化。研究其与界面水(底层水)的同名参数值的差异程度是海相沉积水形成演化的重要组成内容。为反映两者水化学参数值的增降状况可采用增降系数值示之。当系数值>1，则软泥水化学参数值增高;当系数值<1，则软泥水化学参数值降低;当系数值=1，则软泥水与界面水(底层水)的化学参数值相等。由表5-4可知:
表5-4 太平洋和南海软泥水与界面水化学参数的增(降)系数值
大洋软泥水的8个化学组分含量与界面水的相比，除Na+微降、Ca2+明显降低外，均呈不同程度的增高;两者含量之比的增高系数值由大到小依次是:Br－>HCO3－>K+>Mg2+>Cl－、SO42－>Na+>Ca2+。
南海软泥水的8个化学组分含量与底层水的相比，除Ca2+微降外，均呈不同程度的增高;两者含量之比的增高系数值由大到小依次是:Br－>SO42－>HCO3－>K+>Cl－、Na+>Mg2+>Ca2+。
大洋软泥水的6对组分摩尔浓度比值与界面水的相比，其中cMg/cCl、cNa/cCl微降，cCa/cCl和Cl/Br明显降低，而其他3对比值呈增高或微增高;两者之比的增高系数值由大到小依次是:cK/cCl>SO4/Cl>cMg/cCl>cNa/cCl>Cl/Br>cCa/cCl。
南海软泥水的6对组分摩尔浓度比与底层水的相比，其中cNa/cCl、cCa/cCl微降，Cl/Br明显降低，其他3对比值呈微增或增高;两者之比的增高系数值由大到小依次是:SO4/Cl>cK/cCl>cMg/cCl>cCa/cCl>cNa/cCl>Cl/Br。
大洋软泥水的TDS与界面水的增高系数值为1，两者相等;而南海软泥水的TDS与底层水的增高系数值为1.04，南海软泥水的略有增高。
综观软泥水化学与其上覆的界面水(底层水)化学对比具有如下三个显著的特性:其一，大洋软泥水阳离子Ca2+含量明显降低，阴离子Br－、次为HCO3－显著增高;南海软泥水组分含量的降低或增高均较小。其二，大洋软泥水的cCa/cCl、Cl/Br两对比值明显降低;南海软泥水除Cl/Br比值明显降低外，其他比值增高或降低均较小。其三，大洋软泥水TDS十分稳定;南海软泥水的略有增高。
(2)软泥水化学变质作用
软泥水化学三个显著特性是怎样形成的，可从下列三个方面诠释:
一是软泥色调为褐色、棕*，按生物残骸含量命名为富含钙质超微化石和有孔虫钙质软泥(钙质泥)、富含放射虫、硅藻的硅质软泥。矿物成分主要是蒙脱石和伊利石，两者含量占70%，次为高岭石和绿泥石。化学成分主要是SiO2、Al2O3，铁氧化物含量占第三位，钠氧化物占5.7%，钙氧化物和碳酸盐共占4%，镉氧化物<1%，有机质含量占1%左右，其中有机碳含量为0.40%～0.80%。环境指示因子pH7.14～7.42、Eh394～599mV、温度T为0.8～0.87℃。按软泥的天然含水量、界限含水量和颗粒粒径监测数据定为液化或半液化层，与软泥水构成固液系统。
二是中太平洋海盆为海洋平原区，洋底地形起伏比较平缓，绝大部分地区深度为5000m，最大达6000m。现已查明南极底层流由南往北通过汤加海沟，流经澳大利亚南部流向新西兰方向，折向萨摩亚海盆，再往北流至北部海山形成分支。西边一支向吉尔伯特、马绍尔群岛方向移动，东边一支向东流入彭林海盆;中间一支往北流至中太平洋后折向东流，越过莱恩群鸟，沿克拉里昂水道流经东太平洋后复又北流，大约消迹于北纬50°海域。南极底层流具有低温(0～3℃)、高密度(27.88g/cm3)、富氧(3.75～4.75mL/L)的冷水团。据原地质矿产部海洋四号船1994年在东太平洋海盆的8个测站测定的流速为12.2～24.7cm/s，平均流速为18.7cm/s。太平洋中部海盆的雨水、不同深度的大洋水和软泥水的氢氧稳定同位素表明，δ18O沿大洋水垂向上呈现富集趋势，但在底层洋水骤然下降，其值界于雨水与表层洋水之间。又据界面水的Eh场图显示，Eh值由SW朝向NE方向渐趋降低，氧化强度的衰减方向与克拉里昂水道底层流方向是吻合的。
三是当界面水随着软泥沉积并储存其间时起，脱离了海洋水后则转化成为固液系统中的软泥水。由于南极底层流冷水团决定了固液系统为低温、弱碱性、强氧化环境的开放系统。在该系统中脱硫酸盐还原作用不可能进行，含盐量约34g/kg的软泥水对软泥中可溶性盐的溶解作用能力很弱。水与软泥之间发生的作用主要有:其一，吸附作用，软泥粘粒(<0.05%～0.002%)和胶粒(<0.002%)占总含量的80%，粘粒和胶粒吸附容量很大，在宏量阳离子中最易被吸附的是一价阳离子Na+，导致软泥水中Na+的微降值变化。其二，生物化学作用，底栖生物、浮游生物和藻类等死亡后生成的有机质，其分解释放出的产物有I、Br、CO2等，软泥水的Br含量与界面水的相比，增高系数值高达1.53，导致生物成因组分Br在软泥水中聚集，而I比Br的增高系数值高，I在软泥水中聚集强度更大。其三，碳酸盐沉淀作用，南极底层流和有机物分解产物，导致软泥水中游离碳酸(CO2)的增高，CO2气体溶解于水生成CO2和H2CO3，而水中H2CO3仅占总和的1%。在碳酸盐平衡体系中，游离碳酸控制了H2CO3与HCO3－三者的平衡，也控制了水中Ca2+和HCO3－的浓度。在软泥固液系统呈弱碱性，pH最高值为7.48，由于碳酸钙比碳酸镁溶度积小，软泥水中Ca2+比Mg2+先与CO32－结合生成CaCO3沉淀进入固相，作用结果水中Ca2+减少，碳酸盐平衡体系朝向HCO3－方向移动，HCO3－含量增高。由于游离CO2持续地供给，则CaCO3发生持续地沉淀，Ca2+持续地减少和HCO3－持续地增高。这是软泥水中Ca2+含量的显著降值和HCO3－含量显著增值的原因。软泥水中的Mg2+、SO42－、Cl－等均呈微增高变化，表明Mg2+未参与碳酸盐沉淀作用。cCa/cCl、Cl/Br两对比值呈显著降值变化是合乎逻辑的。
软泥水化学在软泥阶段开始发生变质作用，主要表现在软泥水中组分含量增降变化出现了调整，并未破坏软泥水TDS与界面水的相同性，显示了十分稳定的状态。
4.关于深层水现代化学与岩石成分之间的依存性问题
由表5-1、5-2列举的海相碳酸盐岩陆源砂泥岩沉积体系中深层水现代TDS通常在33～35g/kg，海相白云岩中的水TDS在75～86g/kg，石膏和硬石膏的水TDS在150～200g/kg，TDS在270～350g/kg或TDS更高的水均见于盐岩、钾镁盐等蒸发岩层中。
不言而喻，深层水现代浓度与其储层的岩石成分、含盐度之间具有明显的依存关系，岂非可将其作为将今论古的一个佐证。当然，还可观察到深层水现代含盐量与其储层的岩石成分、含盐度之间出现显著降低或增高的背离状况，这与其在地史过程中曾经发生过淡水的侵入导致发生稀释淡化反向变质，抑或因温度、压力增高引发液相蒸发作用、固液相之间物质成分双向转移作用以及可能高盐度水掺入作用等导致浓缩盐化正向变质的结果，这要通过古水文地质研究进行诠释。
综上所述，可作如下重要结论:以海洋水化学在地史过程中的稳定性的理念，赋存于海相碳酸盐岩陆源砂泥(页)岩沉积体系中的水源于海(洋)水，分析其在地史过程中的水文地球化学作用应以现代海洋水(最好用界面水)化学为依据，其含盐量、离子含量，特别是宏量阳离子与阴离子Cl－的离子摩尔浓度比值和生物组分阴离子与Cl－的含量比值可视为地球上的常数，可作为地质历史时期里海洋水化学特性的标准，可作为该沉积层同生沉积水初始化学和评估其在地质历史过程中变质作用程度的标准。
