地球不同圈层间的物质-能量交换解析.doc

4 地球不同圈层间的物质-能量交换地球各圈层之间的物质与能量状态的差异，是圈层相互作用和物质能量交换的动力。41 不同圈层的能量交换（1）地球的热传导热量总是从高温区向低温区传递的，在第三章我们讨论了地球内部温度的分布状况。地球内部的热可以通过热传导、热辐射、激子（辐射激发的原子）、物质运动（如地下热泉、火山活动、岩浆活动、以及地幔对流等）几种方式传导到地球表面。物质运动传导输送的热能就会和前三种热传导方式总和的量级相当。（2）热流观测地球的热流值是通过大陆和海洋直接观测和计算的。将大约 10 m长的岩芯管插入沉积物中，测定从海底释放出来的热，岩芯管一侧的温度计则记录下不同深度的温度，将岩芯取上来之后，可以测定沉积物的热传导率，将热传导率乘以温度梯度即得热流值。大陆是将温度计放置在钻孔中测得的。目前已成千上万次地在不同的大陆和洋底测定了热流值和地温梯度。并由此掌握了大陆和大洋，以及不同地区热流的差异。一般估计，每年从地球内部传递到地表的热能大约8.371020J，平均每平方厘米的地表达6.2810-6J，大概是每年通过地震释放能量的100倍。大陆热流：大陆壳最上部是花岗岩，花岗岩由于富含放射性元素，因而是最热的岩石。大陆热流一部分来自地壳岩石中的放射性元素衰变产生的热能，另一部分来自深部地幔，两者所占的比例，不同的构造区有所差别。如加拿大地盾深部产生的热流q值约2.9310-6Jcm2s，而这个地区地表热流值q为3.7710-6Jcm2s。说明有14的热流来自地壳，而34来自深部地幔。而在盆地和年轻的活动山区，地表平均热流值q约为8.3710-6Jcm2s，其中5.8610-6Jcm2s由深部地幔提供。这个年轻活动区年龄为065106年，总热流值是古老地盾区的两倍。约70热流来自地幔深部。地质学家推测上升的热对流柱位于盆地和年轻山脉之下，这里有热异常、地壳比较薄、火山作用及地震频繁等释放能量的构造运动。对于大陆而言，各种不同年龄的构造区，热流值有所差别，通常古老的稳定区热流值较低，年轻的活动区热流值较高。但总体上看，大陆平均热流值为5.8610-6Jcm2s。海底热流：同大陆相比，海底要年轻得多。海低热流值的观测发现，和大陆一样，热流值与地质特征关系密切。在近5106年内形成的大洋中脊热流值大于1.2610-5Jcm2s，在50百万100百万年年龄的海底洋盆热流值约5.8610-6Jcm2s，年龄大于125百万年的海底热流值小于5.0710-6Jcm2s。海底热流值随年龄增加而减少，说明了海底岩石圈的冷却过程。即从大洋中脊产生较热的岩石圈，向两侧逐渐推向远离中脊的海沟，温度逐渐冷却，冷却了的岩石圈在海沟处向下俯冲回到地幔中，地球物理学家认为这种对流形式约占地球总热流值的60，是地球冷却的主要方式。42不同圈层的物质交换地球不同圈层之间的物质交换有多种方式，最主要的是地球的物质循环过程和元素的迁移过程。（1）地壳-地幔物质循环地球最大规模的物质循环是与板块运动分不开的，沿地幔热柱上升的玄武岩熔浆从大洋中脊涌出并冷却形成的洋壳，并在海沟处因俯冲作用被插入大陆岩石圈之下的软流圈，在地幔软流圈被加热并熔融，与地幔物质混合后重新加入地幔的对流循环。这部分内容将在第五章14节中详细介绍。岩浆-射气作用引起的地幔-地壳-水-大气的物质交换，幔源岩浆上升到地壳浅部或溢出地表并伴随气水的喷射，使地幔物质向地壳、水圈和大气圈迁移。另一方面，岩石在地壳内部也可以因地壳运动或放射性聚热而熔融，转变为岩浆，导致地壳内部的物质分异。岩浆冷却凝固形成的岩石上升到地表后，受风化作用而溶解、破碎呈溶液、碎屑，被水流、风搬运到湖泊、海洋沉积下来，随着地壳的下沉，在地壳深部压实形成岩石，或者随着洋壳俯冲到地幔软流圈加热熔融，重新加入地幔的对流循环（图4-9）。上述各种地质作用都引起壳-幔之间物质与元素的大规模的迁移和重新分配。（2）海底热泉海底存在许多因大洋中脊扩张而形成的裂隙，冰冷的海水沿裂隙下渗到几公里深处。当下渗海水遇到热的玄武岩时就会受热膨胀上升，形成富含从玄武岩中溶解的矿物质和气体的热泉从海底涌出。这已为各大洋中脊观察到的热泉口所证实，热泉有两种形式：一种是在裂谷地带以摄氏十几度的泉水从裂隙流出；另一种以350的高温从海底热泉口喷出，在喷口周围沉积了大量硫化物矿物质，是一种重要的海底热液成矿作用。在方圆数千米的热泉口周围温水中生活着有蠕虫类、蛤、蟹等组成生物群落，它们以细菌类为食，而这些细菌类却以热泉水中的硫化物、二氧化硫及氧中吸收能量（见第五章图5-21）。43 地壳-地幔的元素迁移和富集地球上部圈层除元素通过流体（岩浆）迁移外，最常见和研究得最多的地球化学作用是含水流体与矿物岩石间的化学反应，被称为水-岩相互作用。从反应性质来看，水-岩相互作用包括溶解、沉淀、吸附和离子交换，以及氧化、还原等化学过程。（1）流体作用和地球化学循环地球表层的含水流体可以来自大气降水、大洋水、岩浆水、变质水、同生水和初生水等。水是一种偶极性分子，具有沸点低、易挥发，溶解能力强，流动性大等特点。矿物的溶解作用：水的偶极性使其具有很高的介电常数而成为各种矿物的溶剂。水是弱电解质，其电离方程为：H2O=H+OH-。当H+、OH-与矿物反应，两者浓度发生变化使水溶液具有酸（或碱）性。弱碱性弱电解质矿物可以溶解于酸性水溶液中，弱酸性弱电解质矿物可以溶解于碱性水溶液中。具有离子键的矿物属于电解质，有较高的溶解度，具有共价键和金属键的矿物溶解度较低。自然界中水呈弱酸或弱碱性，主要受两类溶解质的控制：当水溶液中溶解的是酸性物质，如CO2、H2O、SO2、HCl、HF等，它们会增加水中H+的浓度，使溶液呈酸性；如水溶液中溶解的是碱性元素，如K+、Na+、Ca2+、Mg2+等，它们会增加水中OH-的浓度，导致溶液呈碱性。自然体系是一种开放体系，水中同时溶解两种不同的电解质、不同成因水的混合、或水溶液的稀释等使天然水的酸碱度趋于中性，因此自然界水溶液的pH值基本上在49的范围内变化。地球表层的元素在上述含水流体的作用下发生不同程度的活化，并随流体迁移。（2）元素的活化和迁移对于地球元素的迁移而言，流体的运动是十分关键的。地表和深部均存在着水的循环。地表水或大洋水沿构造断裂或与矿物结合经深埋或构造运动带入深部，在高温条件下被释放，然后上升返回地表。此外，流体也可以因岩浆热引起的热对流和构造压力差而运动，并且总是从高温区向低温区、从高压区向低压区流动。近30年来双扩散对流理论受到广泛重视。双扩散对流是指扩散和对流两者的耦合过程。地球内部流体是多组分流体，它通过热扩散和物质扩散引起流体的运动。当它们的运动方向相反时就会产生双扩散对流。双扩散对流对成矿元素的运移有重要意义。（3）元素的沉淀和富集大量的实际观测表明成矿溶液大部分是一种盐水溶液，被称为热水或热卤水，总盐度达0.0n40wt。主要成分为K+、Na+、Ca2+、度为nnx10010-6。如果水流经膏盐地层后变成高盐度的卤水，可以使溶液中金属离子的浓度升高。成矿元素在热液中绝大多数呈可溶性络合物被搬运。当温度、压力降低，pH、Eh值改变，或与岩石发生交代作用时，可以使成矿元素发生沉淀（成矿）。44 地壳表层元素的迁移和富集地幔-地壳元素迁移与矿产形成关系密切，而地壳表层元素迁移与人类生存发展关系密切，尤其有害元素迁移富集对环境污染关系密切。地表环境的特征是常温、常压，与大气圈直接接触和大量水介质的存在，并且有生物和有机质的参与。因此，那些在高温高压条件下稳定的元素在地表环境中特别活跃。（1）元素的活化和迁移元素在表壳的迁移和富集取决于化合物在水中的存在形式；水溶液的酸碱度（pH值）、氧化还原电位（Eh值）；缔合离子和络离子的类型。Na、K、Ca、Rb、Cs、Sr等元素溶解于天然水体中，一般不发生沉淀。化合物在水中的存在形式盐类化合物溶解于水中可呈中性分子，也可呈离子状态，化合物在水中离解成什么离子，取决于元素的性质，如离子的电价、半径、电位及其电负性等。电价低半径大的阳离子（碱金属、碱土金属）在水中争夺O2-的能力比H+弱，它们的盐类和氧合物在水中溶解后，其阳离子都呈自由阳离子。相反电价高半径小的阳离子（B3+、C4+、N5+、Si+、P5+、S6+等）争夺O2-的能力比H+大得多。因此可以与O2-结合成稳定的水溶液的酸碱度水溶液的酸碱度（pH值）对元素在水中的存在状态及迁移有重大影响，天然水的pH值在49之间，只有极特殊的情况下，pH值才会超出此范围，如火山湖pH值4，沙漠土壤中硫酸水pH值可达1，而干旱的碱性土壤水pH值可达10。金属元素的氢氧化物在水中的活化迁移和沉淀受溶液酸碱度的控制。通常随元素阳离子电价增高，半径缩小及电负性增大其氢氧化物的溶度积迅速降低。因此，只有在强酸性条件下这些金属元素才易于活化、迁移，当pH值6时，Ca、Sr、Sa、Ra、Cu、Zn、Cd、Cr3+、 Mn2+、Ni2+易活化迁移。相反，酸性氧化物，如SiO2随水溶液的碱性增高而溶解度增大。当pH值8时，Cr6+、Se6+、Mo6+、V5+、As5+易活化迁移。中（两）性氧化物，如Al2O3则在强酸强碱的水溶液中溶解度增高。氧化还原电位在自然界中能自动发生的化学反应都以体系内向着自由能降低的方向进行的，即电位高的发生还原；电位低的发生氧化。许多反应还同时受pH值的控制。氧化还原电位（Eh值）对金属元素迁移有很大影响，天然水中（如雨水、河水、表层海水）以高Eh值为特征，在碱性溶液中，呈高价态的元素（V、As、Cr、Mo、Se）都将发生强烈的活化。而在还原条件下，有两种情况：不含H2S和富含H2S的还原环境。在不含H2S的还原环境，无论是碱性还是酸性条件，Fe2+、Mn2+等元素都具有极强的活化迁移能力；在富含H2S的还原环境则不利于这些元素的迁移，而有利于它们的沉淀富集。除此之外在天然水中还可以络离子或有机络离子的形式迁移。（2）重金属元素在水中的迁移重金属元素主要是指汞、镉、铅、铬以及类金属砷等毒性大的元素，它可以来自矿床开采，使含有重金属元素的矿物从地下深处暴露出地表，或者通过工业加工过程排放到土壤、大气或水中。即使其含量均小于0.1，但污染的危害程度却十分显著，表现为对生物明显的毒性效应。重金属元素在水中以机械的、物理化学的和生物的方式发生迁移。机械迁移是指重金属以溶解态或颗粒态迁移；物理化学迁移是指重金属以离子、络离子或可溶性分子在水中以物理化学的方式迁移；生物迁移是指重金属在生物体的新陈代谢、生长、死亡以及食物链等方式迁移。（3）元素的富集地球化学障地球化学屏障是元素迁移过程中的一种特殊的现象，当元素迁移到某处，环境的物理化学条件发生改变，可使元素从活化迁移状态转化为静止状态，并使元素富集。许多大型、超大型矿床都与地球化学急剧转变带有关。地球化学障有氧化还原障、酸碱性屏障、生物屏障、吸附屏障和蒸发屏障等。氧化障 在还原环境被迁移的元素骤然转化为氧化环境时会发生沉淀和富集，如富含H2S的温泉溢出地表被氧化为硫磺，富集和堆积在泉口。氧化屏障可导致Fe、Mn、Co、S、Sr、Ba等元素的沉淀和富集。还原障 在氧化条件下迁移的元素（如 V、As、Cr、Mo、Se、Co、Ni、Cd、Au等）骤然转化为还原环境可发生沉淀和富集；而Fe、Cu、Pb、Zn、Ag、Hg、Cd、U等元素迁移中遇到富含H2S的还原水，形成金属硫化物矿物。酸性屏障 在酸性条件下SiO2形成沉淀，当pH值5时，Fe3+、Al3+、Co3+、Cr3+、Bi3+、Sn2+、Th4+、Zr4+、Ti4+、Sb3+、Sc3+等元素离子易形成沉淀和富集。碱性屏障 通过硫化矿床或超基性岩的酸性水带有丰富的金属离子，当它流经石灰岩地层时，水的pH值显著提高，使Ca、Mg、Fe、Mn、Cu、Pb、Zn、Sr、V、Cr、Co、Ni、Cd等元素沉淀和富集。蒸发屏障 在干旱地区，强烈的蒸发作用引起土壤的盐碱化，大量的K、Na、Ca、Mg的硫酸盐、碳酸盐和氯化物沉淀，还可富集F、I、B、Sr、Mo等微量元素。生物屏障 生物对某些元素有富集作用，许多植物对Cu、Pb、Zn、Fe、Ti、Ga、Ge、As、Se、F有富集作用，如铜草对Cu的富集，硅藻对SiO2的富集。煤（古代森林）灰中富含Ga、Ge、S、As、Se、F等元素。现代林区的土壤中富含Cu、Pb、Zn、Fe、Ti等元素。放射性元素通过地表、大气层核爆试验及核电站和核能研究排放废物、废液进入土壤，如Sr90、Cs137，它门被土壤中的无机胶体吸附，也可与有机酸形成络合物并被植物吸收，通过食物链进入人体。吸附屏障土壤、河湖底部的粘土等对元素有极强的吸附能力，如吸附Na、K、Mg、Ca、Pt、Au、Ag、Hg、V、Cu、Ni、Co、Ba、Zn、Pb、Ti等元素，使水中的一些对生物有毒害作用的元素，如Hg、Cd、Pb、Ti等得到净化。此外水溶液中的各种胶体对元素也有选择性的吸附，如硅酸盐溶胶易吸附Cu、Co。氢氧化锰易吸附Li、Cu、Ni、Co、Zn、Ra、Ba、W、Ag、Au、Ti等元素。土壤对化学农药还有降解和吸附作用使其净化。45 矿床与潘多拉魔盒（1）地壳中的元素丰度迄今为止人类所利用的天然元素几乎都来自地壳的表层。人类活动（如超深钻）目前可能到达的最大深度也只有13km。而矿床开采还要浅，最深的石油开采也只有4000多米。其他固体矿床就更浅。我们常用的大部分元素的含量在地壳的大部分地方大都接近于该元素的地壳平均丰度，说明它们有均一化的趋势。地壳中元素平均丰度是指某一元素在地壳中的平均重量百分含量，称为克拉克值。它是根据对所有岩石类型进行大量化学分析所测得的结果，经过加权平均计算出来的。元素克拉克值反映了地壳的平均化学成分，也是微量元素在地壳某些地方中集中或分散程度的标准。（2）矿床的概念地壳中存在着人类需要的各种元素。但是人类真正能够利用的，除了少数可以用作建筑材料的岩石之外，大多数岩石并不能用于提炼人类所需要的各种元素。这是因为我们所需要的元素，在多数的岩石中含量太低了，以致于将它们开采出来并进行提炼，所付出的远远超过所得，在经济上是极不合算的。因此地质学家们要寻找出一种岩石，某种有经济价值的元素能够浓集到这样的程度，即将它开采和提炼出来所得到的价值比开采和提炼它们所付出的费用要高得多，只有这种岩石，才具有经济价值。我们就把这种比地壳中元素丰度要大得多的岩石称为矿床。不同的元素要成为矿床其浓集程度差别很大，在不同的国家也有所差别。有的只需浓集到比地壳中该元素丰度的几倍就足于成为矿床，有的则需要浓集几百至十万倍才成为矿床表4-2是几种可供开采的主要的金属元素的浓集系数。这样一来，矿床在地壳中不仅是十分特殊的岩石，而且是罕见的，为数不多的。从这个意义来说，就存在着地球资源被人类