《地球不同圈层间的物质》由会员分享，可在线阅读，更多相关《地球不同圈层间的物质（8页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、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 10m 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
2、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8.37X 1020，平均每平方厘米的地 表达6.28X 10J，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
3、生的热流q值约2.93X10J / cm2 / s,而这个地区地表热流 值q为3.77X 10J / cm2 / s。说明有1 / 4的热流来自地壳，而3/4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8.37X 10J / cm2 / s，其中5.86X10J / cm2 / s由深部地幔提供。这个年轻活动 区年龄为065X 106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
4、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 5.86X10-6J/ cm2/ s。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5X106年内形成的大洋中脊热流值大于 1.26X 10J / cm2/s，在50百万100百万年年龄的海底洋盆热流值约 5.86X 10J / cm2 / s,年龄大于125百万年的海底热流值小于5.07X 10J / cm? / s。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
5、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
6、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）。质作用岩浆:作用7 .沉阴岩.it- fii-讒幣- 材化变质作用増强.爱49三犬岩类的物质循坏坷I自文献门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
7、，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350C 土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，
8、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：H0二H+OH-。当H+、0H-与矿物2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
9、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CO、HO. SO、HCl、HF等，它 们会增加水中H+的浓度，使溶液呈酸性；如永溶液中溶解的是碱性元素， 如K+、Na+、Ca2+、Mg?+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
10、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
11、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O.On40wt%。主要成分为K+、Na+、Ca2+、Mg叭C匡芥S萤等,其他组分浓度变化较大，金属离子的浓度 为nnxl00X10-6。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
12、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
13、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Ox结合成稳定的酸根勇、毙F縮等）?因而，在水中呈酸根离子团。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V4，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
14、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V6 时，Ca、Sr、Sa、Ra、Cu、Zn、Cd、Cm、Mm+、Ni2+易活化迁 移。相反，酸性氧化物，如SiO随水溶液的碱性增高而溶解度增大。当2pH值8时,Cs、Se6+、M6+、V5+、As+易活化迁移。中（两）性氧化物， 如 AlO 则在强酸强碱的水溶液中溶解度增高。23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
15、）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HS和富含HS的还原环境。在不含HS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HS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
16、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
