水圈的化學演化
正文
水圈的形成及其在地球歷史中化學成分的變化。水圈指地球表層各種水體的總稱。它包括海洋、河流、湖泊、冰川、積雪等地表水，地下水和大氣中的水。水圈中的水在太陽輻射和重力作用下，以蒸發、降水和徑流方式不斷循環。在這一過程中水對岩石礦物進行著改造，使原來不穩定的礦物溶解，使元素重新活化，遷移、分異和沉澱，形成新的地表條件下穩定的礦物組合，在有利條件下形成各種礦產。另一方面，在循環過程中水不斷地與岩石發生各種複雜的化學反應，改變著自己的化學組成和性質。水圈和氣圈都是地球內部物質長期熔融分異釋放到地面上來的揮發性產物，在地球引力場作用下積聚下來形成的。地史早期，距今約46～40億年間，地球物質的熔融分異作用進行得很劇烈，去氣作用強烈頻繁，地表氣溫高於水沸點，所有的揮發性氣體都積聚在大氣中形成稠密的火山氣圈（見大氣圈的化學演化）。總大氣壓約在100個大氣壓左右，其中水蒸氣分壓最高,二氧化碳分壓居第二位，含大量強酸性氣體和還原性氣體，熾熱潮濕，沒有水圈和水的循環。
大約距今40億年，火山去氣作用開始減弱，氣溫下降導致火山氣圈冷凝，生成了水圈。原始海水具有強酸性和強還原性，其pH值約為 0.3，Eh值也低至足以使大量鐵、錳、銅、硫等元素呈低價離子形式 (Fe2+、Mn2+、Cu+、S2-)運移，並匯聚于海盆形成沉積礦床。水圈由地史早期的強酸性和強還原性向地史晚期的弱鹼性和強氧化條件的演化貫穿在整個地質歷史中,並伴隨著火山-沉積旋迴而頻繁波動。在火山去氣作用期間，大量強酸性氣體 （HCl、HF、SO2、H2S等）和還原性組分（CO、CH4、H2、NH3、H2S等）噴到地表,使大氣和水圈迅速變為相應的強酸性和還原性；隨後在火山間歇期，風化淋濾作用和海解作用又使海水pH值升高，向鹼性發展；水的光解反應和綠色植物的光合作用不斷生成游離氧，對還原組分氧化消耗，又使水圈向氧化環境轉化。火山去氣作用期間形成強酸性和還原性雨水的風化淋濾條件，使大量鐵、鋁、錳、銅、鉛、鋅離子 (Fe2+、Al3+、Mn2+、Cu+、Pb2+、Zn2+)和矽酸、磷、釩、鉬、鎢等活化遷移;火山間歇期又形成pH值較高和偏氧化的飽含二氧化碳氣雨水的風化淋濾條件，使鈾醯絡合離子(UO卂)、銅離子(Cu2+)、硫酸根離子(SO厈)等活化遷移。它們到達海盆以後,將伴隨海水pH、Eh值的波動分異沉澱，形成沉積礦床和礦源層。
距今26億年的太古宙，海水pH值一直很低,CO2在海水中溶解度低，且不能通過海水形成碳酸鹽沉澱。火山作用釋放出的CO2都富集在大氣中，形成稠密的 CO2大氣圈。這個階段多為強酸性和還原性雨水的風化淋濾條件，各種元素大量活化遷移，海底熱液也為海水成礦作用提供了大量礦質來源。這個時期風化殼礦床不發育，主要形成鐵、鋁、鈦、鋯、金和矽石等惰性元素的沉積礦床。
距今26～6億年間的元古宙,地球去氣作用進一步減弱，火山間歇期增長，海水化學環境的演化隨火山－沉積旋迴具有強烈波動的特點，且在火山間歇期海水pH值、Eh值升高，變為弱酸性和弱還原至弱氧化性海水，導致碳酸鹽等一系列弱酸鹽的沉澱。這個階段形成的主要沉積礦床有鞍山式條帶狀鐵矽建造，鐵、鎂、錳的碳酸鹽礦床,白雲岩、灰岩，鐵銅鉛鋅等多金屬硫化物礦床,硼酸鹽、稀土和磷酸鹽等礦床。
地史晚期，大約距今6億年開始,地球去氣作用大大減弱，地殼逐漸趨於穩定。海水pH值、Eh值進一步上升，變為弱鹼性和強氧化性海水環境。隨著海水pH值上升，CO2周期性地向沉積圈轉移，大氣CO2分壓隨之降低,到現在已降至0.03％大氣壓,並與海水保持著動態平衡。CO2含量的降低和游離氧在大氣中積累的結果又使大氣逐漸變為N2-O2型氣圈。雨水pH值進一步升高的結果，導致鐵、鋁、錳風化殼礦床的廣泛發育和陸表厚大土壤層的形成，後者又成為動植物在陸地發生髮展的基礎。風化淋濾作用中元素帶出強度的減弱，使海水中的成礦作用規模收縮。在現代表生條件下，在pH值較高和強氧化的表生水中一些元素仍能活化遷移，如被粘土礦物吸附弱的鈣、鎂、鈉、鉀、氯、硫酸根等離子(Ca2+、Mg2+、Na+、K+、Cl-、SO厈)能在海水中大量富集,在有利條件下形成碳酸鹽、石膏和食鹽等沉積礦產。有機界的發展、有機質的埋藏和轉化又為煤、石油、天然氣等有機礦產的形成提供了條件。
不同地質時期，海底不同成因的熱液是海水成礦的重要物質來源。特別是伴隨內生岩漿分異、岩石變質和混合岩化等作用形成的,與地球去氣作用有關的熱液,因具酸性和還原性而溶解著大量成礦物質,進入海水後,一方面影響海水化學環境，同時帶入的成礦物質又受海水化學環境的制約分異沉澱。地史早期海水pH值、Eh值低，熱液與海水的化學性質差別較小，熱液帶入的成礦物質在海水中運移較遠，常與海水溶解的成礦物質一起分異沉澱而多顯沉積特徵；地史晚期海水pH值、Eh值相對較高，熱液進入海水後迅速被中和和被氧化，帶入的成礦物質運移不遠甚至就地沉澱，多顯熱液成礦特徵。
水圈是地球物質演化分異的產物，水圈化學性質的演化，和地球內部物質的演化一樣是一個不可逆的歷史演變過程。
