《地球ph演化与前寒武纪成矿》由会员分享，可在线阅读，更多相关《地球ph演化与前寒武纪成矿（20页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、地球地球 pHpH 演化与前寒武纪成矿演化与前寒武纪成矿地球 pH 演化与前寒武纪成矿 广东海洋大学廖永岩电子信箱：地球物质的 93.3%由 Fe、O、Si 和 Mg 四种元素级成；含量大于 1%的元素还有 Ni、Ca 和 Al；S、Cr、Na、P、Co、Ti、C、Mn、H 和 K 的含量在 0.011%，可以说，地球几乎是由这 17 种元素组成的，其它元素的总百分比微不足道（仅约占 0.1 或者更少）(韩吟文和马振东，2003)。含量最多的非金属元素是氧、硅，其次是硫、磷、碳和氢，所以，构成地球的化合物，主要是硅酸盐，其次才是硫酸盐、磷酸盐和碳酸盐。现在，人类能直接利用的地球部分，只是地壳及
2、上地幔。地壳和上地幔中分布量最多的 7 种元素O、Si、Fe、Ca、Na、Mg 合计约为地壳总成分的 99.4%，上地幔的99.11%，而其它 85 种元素总计不到 1%(袁见齐等，1984)。所以，构成地壳和上地幔的化合物，应主要是 Fe、Ca、Na、Mg 的硅酸化合物。矿产在地壳中的集中产地即是矿床。矿床是指地壳中由地质作用形成的，其所含有用矿物资源的质和量，在一定的经济技术条件下能被开采利用的地质体。成矿作用是指在地球的演化过程中，使分散在地壳和上地幔中的化学元素，在一定的地质环境中相对富集而形成矿床的作用(袁见齐等，1984)。地壳的岩石，是一般的岩石,或是矿床，主要看人类需要的这种元
3、素在岩石里的富集程度。富集程度达到人类现时开采的经济技术标准，就是矿床；虽有富集，但没有达到这个标准，就不是矿床。所以，矿床的形成过程，其实就是元素的富集过程。在地球演化过程中，特别是在地球演化的早期（前寒武纪） ，大型沉积矿床（如条带硅铁质矿床）是如何形成的，虽有各种说法，但一直是争论剧烈的学术问题(陈福等，1997； Krauskopf，1979；Holland，1969)。注意点仅集中在某个具体矿床的研究上，是很难解决这个问题的。大型沉积矿床的形成，肯定与地球的起源和演化相关。只有正确认识地球起源和演化，才可能正确认识到大型沉积矿床的形成机制。我们在综合分析地球的起源、演化、矿床学、沉积
4、学等地质学、天文学和化学等方面的资料后，就 pH 值演化对前寒武纪大型沉积矿床形成的影响提出了理论。1 pH 演化原理1.1 地球去气作用的降 pH 作用地球和太阳及其它行星一起，由冷星云物质形成于 46 亿年前(Hanks and Anderson, 1969; Ringwood, 1960; Wood, 1968; Nutman, et al., 2001)。地球通过吸积作用，体积和质量不断增大，最终达到现今的体积和质量(Hanks and Anderson,1969; Wood, 1968; Ringwood, 1960; Taylor, 1993; Lyons and Vasavada
5、, 1999)。在吸积过程中，构成地球的冷星云物质的引力势能，转化为动能，最终转化为热能。在这个热能的作用下，地球成为部分熔融体。因为这些星云物质是从外部撞击地球（或地球胚） ，所以，熔融的部分，主要是地球的外部，地球内部尚没有完全熔融。随着吸积作用的完成，星云物质的撞击逐渐减少，地球表面因热辐射不断降温。当温度降至低熔点的花岗岩等岩石的熔点以下时，这些岩石形成原始的地壳。而这时，地球内部在放射能和重力势能转变的热能的作用下(Hanks and Anderson,1969; Wood, 1968; Ringwood, 1960)，逐渐熔融。最终，除已固化的地壳外，地球内部呈完全熔融状态，地球在
6、重力分异作用下，形成了地核、地幔和地壳等结构。构成地球的星云物质，应和地球的物质组成一样，主要为硅酸盐构成，其它还有少量的碳酸盐、硫酸盐、磷酸盐、硼酸盐及卤化物盐类(韩吟文和马振东，2003)。当地球处于熔融状态时，在高温高压作用下，这些物质里的结晶水，被释放出来，成为水蒸汽(吴泰然和何国琦，2003；Murakami et al., 2002)；而碳酸盐等其它易分解盐类，则形成了二氧化碳、硫化氢、二氧化硫、氯化氢、氟化氢等气体。地壳尚未形成前，地球熔融部分释放出的以上气体，进入地球周围，形成原始大气。地壳形成后，地球内部继续熔融产生的以上气体，因地壳的圈闭作用，不能排出地表；只有当地表出现破
7、裂时，才会随火山喷发和地震等去气作用而排出。通过 40Ar 和 36Ar 的测量发现，现代大气中的 Ar 主要是由地球去气作用形成的(Matsuda and Marty, 1995; Marty, 1995)。这说明，由于太阳风的作用，地球熔融前由星云物质带来的气体，绝大部分已逃逸(Hunten and Donahue, 1976; Porcelli et al., 2001)。原始大气也应主要由地球的去气气体组成（Ozima and Podosek ,1983） 。一般认为，地球早期的去气作用和现今火山、地震等去气作用相似，排出气体的成分变化不大。经测试，现代火山气体主要为水蒸汽，其次为二氧
8、化碳、硫化氢、二氧化硫、氯化氢、氟化氢等气体(Muenow et al., 1979; Stoiber et al, 1980; Metrich et al., 1993; Zreda-Gostynska et al., 1993; Thordarson, et al., 1996; Signorelli et al., 1999; Stix et al., 1993; Thordarson and Self, 1996)。火山气体冷凝后的 pH 值为 0 或 0 以下(Krauskopf and Bird, 1995; White and Waring, 1963)。当地表温度逐渐下降至水的
9、凝聚点以下时，原始大气里的水蒸汽等气体冷却形成原始海洋。由于原始海洋主要由地球去气气体冷凝而成，所以，其 pH 值应为 0 或 0 以下。1.2 硅系统的升 pH 作用海洋 pH 值主要由硅和碳共同控制。硅刚好和碳相反，SiO2 在低 pH值时沉淀，而在高 pH 值时溶解(韩吟文和马振东，2003)。温度低时溶解度小，而温度高时溶解度大，这也正好和 CO2 相反(韩吟文和马振东，2003)。硅酸盐岩的风化作用，牵扯到很多金属盐类的水解和酸解，相当复杂(Berner et al., 1983; Kempe and Kazmierczak, 2002)。为了简化，我们用 A 代表和硅酸根相结合的金
10、属, 用 Am+代表价位为 m的金属离子（m 为价位数） 。硅酸盐岩在低 pH 值时，分解为可溶性的金属阳离子和 SiO44-；在 H+浓度较高，即 pH 值较低时，SiO44-可和 H+结合形成 HSiO43-；HSiO43-再和 H+结合形成 H2SiO42-；H2SiO42-和 H+结合形成 H3SiO4-；H3SiO4-和 H+结合，最终形成H4SiO4。H4SiO4 脱水分解产生 SiO2 沉淀。当 pHSiO2pH pHSiO44- (pHSiO2 为水体中所有的 H3SiO4-被 H+中和时的 pH 值, pHSiO44-为水体中所有的 HSiO43-被 OH-中和时的 pH值)
11、 时，水体的 pH 在硅酸盐系统的缓冲范围内，硅将在地球的水圈、生物圈和岩石圈之间，不断地流动。最终，水体（主要是海洋）里的 SiO44-、HSiO43-、H2SiO42-、H3SiO4-、H4SiO4、沉积岩里的SiO2 沉淀和地壳里的硅酸盐岩之间，将建立如图 1 所示的平衡。图 1，SiO2 系统的化学平衡示意图和 pH 值影响碳酸各级电离成分比例一样(郭锦宝,1997)，pH 值也同样影响硅酸电离的各组分。所以，同样有如下公式：pH=pK1/+logCH3SiO4-(T)/CH4SiO4(T) （1）pH=pK2/+logCH2SiO42-(T)/CH3SiO4-(T) （2）pH=pK
12、3/+logCHSiO4-3(T)/CH2SiO4-2(T) （3）pH=pK4/+logCSiO44-(T)/C HSiO4-3(T) （4）由上述可知，pH 值除与温度、压力和盐度有关外，主要与硅系统各分量的相对比值有关。pH 值与 CH4SiO4(T)/CSiO44-(T)比值的关系，还可以表示为：pH=1/4(pK1+pK2+Pk3+pK4-logCH4SiO4(T)/CSiO44-(T) (5)所以，海洋 pH 值受硅酸各级电离组分相对比例的影响。pH 值高时，SiO44-的相对比例高，H4SiO4 的相对比例低。反之亦然。反过来说，若海洋里 SiO44-的相对比例高，则 pH 值高
13、；若海洋里H4SiO4 的相对比例高，则 pH 值低。当 pH 下降，水体里的 H+浓度增高。由图 1 可知，大量的 H+和SiO44-结合，逐步形成 H4SiO4。这样，水体里的 SiO44-逐渐减少，H4SiO4 则逐渐增多。溶度积公式为：二氧化硅沉淀 Ksp=H+(T)H3SiO4-(T) （6）硅酸盐沉淀 Ksp=Am+(T)SiO44-(T) （7）由（6）式可知，当 KspAm+(T)SiO44-(T)时，地壳硅酸盐岩溶解，直至 Ksp=Am+(T)SiO44-(T)时为止。地壳硅酸盐岩的溶解，可为水体提供大量的金属阳离子。越是碱性强的地壳岩石，提供的金属阳离子越多(中国科学院地球
14、化学研究所,1996)。由图 1 所示可见，由 SiO44-逐步形成 H4SiO4，每形成 1 个 H4SiO4分子，将消耗 4 个 H+；所以，随着 SiO44-不断形成 H4SiO4，H+浓度将逐渐降低，水体的 pH 将逐渐增高。所以，低 pH 的原始海洋，主要靠硅酸盐岩风化来提高 pH 值。pH 越低，硅系统升 pH 的能力越强，随着 pH 的升高，硅系统的升 pH 能力逐渐降低。1.3 碳系统对 pH 的调节作用假设地球的 pH 值在 pHCO2Am+(T)SiO44-(T)将造成硅酸盐岩的溶解。直至Ksp=Am+(T)SiO44-(T)时为止。这样，不仅造成硅酸盐岩里的金属元素的迁移
15、，而且使原始海洋里的金属元素富集。pH 值越低，这种溶矿、迁移和富集作用越强烈。原始海洋刚形成时，pH 为 0 或0 以下，这种海水的溶矿和富集矿的能力是相当强的。这是矿物的第一步富集作用（非选择性富集） 。地壳硅酸盐岩的溶解，为水体提供大量的金属矿物阳离子。越是碱性强的地壳岩石，提供的金属阳离子越多(中国科学院地球化学研究所，1998)。大量的地壳硅酸盐岩的溶解，将消耗大量的氢离子，这样，将使原始海洋的 pH 上升，使溶矿能力降低，直至 pH 上升和溶矿达到平衡为止。所以，溶矿作用，是一种升 pH 值作用。原始海洋刚形成时，没有陆地，地球表面全被浅而大的海洋覆盖。这时的溶矿作用，主要发生在原始海洋底部和海水直接接触的地壳岩石处。海底地壳岩石的溶解能达多深，这主要由 pH 值、作用时间和地壳岩石的通透性共同决定。pH 值越低，作用时间越长，岩石的通透性越强，溶解的海底岩石就越深，反之越浅。在溶矿作用中，若原始海洋 pH 值升高，不能完全溶解海底岩石，就会使海底岩石发生和热液成矿时的围岩一样的蚀变。从海水至发生蚀变的深处，随着 pH 值逐渐升高，蚀变的海底岩石，也逐渐由硅岩向其它高 pH 值岩类转化。2.2 地壳形成后的去气作用造成的溶矿作用原始海洋刚形成时，地壳很薄，很小的对地壳作用，也会引起大量的火山喷发和地震。早期的外星体撞击地球，会引发火
