自然地理學(xué)教案

講課題目第五章自然地理系統(tǒng)內(nèi)部物質(zhì)聯(lián)絡(luò)第一節(jié)物質(zhì)循環(huán)講課類型理論課首次講課時間10月15日課時2教學(xué)目標(biāo)經(jīng)過本節(jié)課,使學(xué)生：了解自然地理系統(tǒng)大氣循環(huán)、水分循環(huán)；掌握自然地理系統(tǒng)地質(zhì)循環(huán)、生物循環(huán)；掌握各物質(zhì)循環(huán)對自然地理系統(tǒng)意義。重點與難點1自然地理系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)；2各物質(zhì)循環(huán)對自然地理系統(tǒng)意義。教學(xué)伎倆與方法多媒體教學(xué)過程：（包含講課思緒、過程設(shè)計、講解關(guān)鍵點及各部分詳細內(nèi)容、時間分配等）第五章自然地理系統(tǒng)內(nèi)部物質(zhì)聯(lián)絡(luò)自然地理系統(tǒng)內(nèi)部各組成部分之間相互聯(lián)絡(luò)與作用，是經(jīng)過物質(zhì)循環(huán)和能量轉(zhuǎn)換來實現(xiàn)，這種聯(lián)絡(luò)本身及其效果即是該系統(tǒng)主要功效之一。而這種功效在于維持自然地理系統(tǒng)整體性，使之成為地球上一個相對獨立物質(zhì)系統(tǒng)。第一節(jié)自然地理系統(tǒng)內(nèi)物質(zhì)循環(huán)自然地理系統(tǒng)內(nèi)物質(zhì)循環(huán)運動必須以能量為動力，能量又以運動著物質(zhì)為載體，二者親密不可分離。所以，在物質(zhì)循環(huán)過程中，能量必定伴隨物質(zhì)在系統(tǒng)內(nèi)部發(fā)生傳遞和轉(zhuǎn)換。自然地理系統(tǒng)中物質(zhì)循環(huán)方式從宏觀方面可分為四種類型，即大氣循環(huán)、水分循環(huán)、地質(zhì)循環(huán)和生物循環(huán)。它們代表了物質(zhì)固、液、氣三態(tài)，有機物與無機物兩大物質(zhì)類型，以及勢能與動能、機械能與化學(xué)能、顯熱與潛熱不一樣能量形式在自然地理系統(tǒng)中流通或轉(zhuǎn)化。一、大氣循環(huán)大氣循環(huán)主要發(fā)生在地球大氣圈對流層內(nèi)，是以大氣環(huán)流形式進行氣體運動。它包含行星風(fēng)系、季風(fēng)風(fēng)系和地方性風(fēng)系三種不一樣規(guī)模大氣運動。其中，行星風(fēng)系主要包含分布于南、北半球大約30°緯圈之間包含信風(fēng)帶在內(nèi)哈德來（G.Hadlly）對流循環(huán)、大約分布于30～60°緯圈之間西風(fēng)環(huán)流和南、北極地極地東風(fēng)帶。季風(fēng)風(fēng)系主要分布于北太平洋西部、北印度洋、亞洲東及南部，以及北大西洋西部與北美洲中東部；在南半球出現(xiàn)于澳洲北部。另外，與夏季風(fēng)基本同期而規(guī)模和影響范圍小于季風(fēng)熱帶氣旋（臺風(fēng)和颶風(fēng)），主要生成赤道兩側(cè)南、北緯約5～20°間，也是亞洲及北美大陸東部沿海及海洋區(qū)域主要風(fēng)系。地方性風(fēng)系又稱“局地風(fēng)系”，屬于規(guī)模及影響范圍在100至數(shù)十公里之內(nèi)大氣運動。其生成往往與局部地形及海陸分布情況關(guān)于。如山谷風(fēng)、焚風(fēng)、布拉風(fēng)及海陸風(fēng)等。主要生成于美國中、東部平原及墨西哥灣區(qū)，破壞性極大龍卷風(fēng)也屬這類局地風(fēng)系。大氣環(huán)流原動力是太陽輻射能。大氣環(huán)流最顯著作用是重新分配地表熱量和水分。如形成于低緯地域哈德來環(huán)流，其大氣流通量平均可達每秒2×10８t。赤道地域大量熱能經(jīng)過該環(huán)流向中、高緯地域輸送，在南、北緯30°附近與西風(fēng)環(huán)流輻聚，形成大規(guī)模氣流渦動，在對流層頂形成副熱帶急流，在緯度40～60°處形成極鋒急流，未來自于熱帶熱量向極地傳送，維持自然地理系統(tǒng)內(nèi)熱量平衡。又如強熱帶氣旋臺風(fēng)和颶風(fēng)也可將熱帶海洋上大量熱量和水分帶向中緯地域。如對形成于北大西洋洋面上一次颶風(fēng)測算，從海面進入颶風(fēng)潛熱流總量估量在二十四小時內(nèi)達2.15×1015kcal，平均每秒為6×1010kcal。大量熱量被颶風(fēng)帶走，使海面水溫降低1.5℃大氣環(huán)流還是地表固體物質(zhì)運輸載體。比如，當(dāng)火山暴發(fā)時，噴至大氣中大量火山塵，在大氣環(huán)流搬運下，直接影響地表太陽輻射在一定時期內(nèi)發(fā)生改變，又間接造成氣溫和降水某種改變。大氣環(huán)流對地表物質(zhì)大范圍搬運，甚至造成地表生態(tài)災(zāi)難。如發(fā)生在美國“黑風(fēng)暴”即很經(jīng)典。1935年旱季，起于美國中西部干旱區(qū)風(fēng)暴，將地表黑土層破壞揚起，形成東西長2400km、高約3km“黑風(fēng)暴”，3天中橫掃美國2/3地域，農(nóng)田道路被毀，河溪干涸，16萬農(nóng)民流離失所。1953年5月另一次黑風(fēng)暴，以每小時60～100km速度帶走約3×108t塵土，跨越美國1/3領(lǐng)土，最終傾瀉于大西洋中。據(jù)估量這次風(fēng)暴平均刮走了5～30cm厚黑土層。類似生態(tài)災(zāi)難也曾發(fā)生于原蘇聯(lián)中西伯利亞地域。大氣環(huán)流搬運地表渙散物質(zhì)長久效果，首先在大陸內(nèi)部形成大規(guī)模風(fēng)沙沉積和黃土沉積，另首先又成為塑造風(fēng)成地貌外營力。二、水分循環(huán)在太陽能和重力共同作用下，水在自然地理系統(tǒng)中不停地從一個圈層向另一個圈層轉(zhuǎn)移運動著，形成水分循環(huán)。其循環(huán)方式主要有兩種：一是經(jīng)過汽、液、固三態(tài)轉(zhuǎn)化方式在各圈層中運動；一是液態(tài)水在熱力和重力作用下，經(jīng)過洋流或陸地地表及地下徑流進行物質(zhì)和能量傳輸。實際上這兩種形式水分循環(huán)是不可分割。二者共同組成自然地理環(huán)境中水分循環(huán)。水分在連續(xù)循環(huán)運動過程中，各種水體也進行著自然更新作用。據(jù)估量，不一樣水分循環(huán)更新周期差異較大。在大氣中水汽流通速率最快，其循環(huán)周期僅約9天；地表河流徑流約需10～20天；淡水湖泊水分約需1；土壤水和地下徑流約需280～3；鹽湖水和內(nèi)陸湖水循環(huán)周期約10～10，差異很大；高山冰川約需數(shù)十年至數(shù)百年；極地冰蓋則需1.6×1；海洋中水分全部更新循環(huán)一次約需3.7×1，周期最長。水分循環(huán)不但對于全球性水分和熱量再分配起著重大作用，而且也是巖石圈表層物質(zhì)機械搬運作用和自然地理環(huán)境中化學(xué)元素遷移強大動力機。據(jù)測算，大陸地表及地下徑流每年可攜帶約1.3×1010～5.0×1010t泥沙，以及溶于水可溶鹽類達2.5×109～5.5×109t最終進入海洋。另外，液態(tài)及固態(tài)水在重力作用下對地貌塑造作用，也是消耗太陽輻射能一個有效方式。水分循環(huán)也是生物有機體維持生命活動和整個生物圈組成復(fù)雜膠體溶液系統(tǒng)基本條件，起著有機界和無機界聯(lián)絡(luò)紐帶作用。總之，水分循環(huán)如同自然地理環(huán)境“血液循環(huán)”，它溝通了各基本圈層物質(zhì)交換，促使各種聯(lián)絡(luò)發(fā)生。水分循環(huán)同時起著形成水文、氣候、地貌、土壤、生物過程和地球化學(xué)過程作用。三、地質(zhì)循環(huán)所謂地質(zhì)循環(huán)是指地殼物質(zhì)在地球內(nèi)外營力共同作用下，經(jīng)不一樣地質(zhì)過程完成物質(zhì)循環(huán)。地質(zhì)循環(huán)由四個基本過程組成：第一是風(fēng)化過程：裸露于地表巖石處于常溫低壓環(huán)境。巖石內(nèi)部物質(zhì)結(jié)構(gòu)處于應(yīng)力釋放狀態(tài)；外部受水、熱條件及其它外動力原因共同作用，巖石性質(zhì)發(fā)生機械和化學(xué)改造與改變即風(fēng)化作用。其結(jié)果使堅硬巖石變?yōu)闇o散物質(zhì)，增強透水性和通氣性，礦質(zhì)養(yǎng)分元素以可溶性鹽類形式被釋放出來，形成了新次生粘土礦物，為土壤形成奠定物質(zhì)基礎(chǔ)。第二是搬運過程：風(fēng)化作用產(chǎn)物，在太陽能和重力能作用下，經(jīng)液態(tài)與固態(tài)徑流以及風(fēng)力搬運，遠離風(fēng)化物源，實現(xiàn)地表物質(zhì)重新分配。據(jù)估算，每年從大陸上以各種方式被搬運風(fēng)化產(chǎn)物約有1.76×1010t，如地殼重量以2.5×109t估量，全部地殼被侵蝕搬運一次時間約需1.4×1。第三為沉積過程：風(fēng)化物質(zhì)被輸送到海洋或陸地低洼部位，進行再沉積、壓實和固結(jié)成巖過程，原生巖漿巖或變質(zhì)巖轉(zhuǎn)化成次生沉積巖；老沉積巖再次轉(zhuǎn)化為新沉積巖；部分沉積物在生物作用下形成生物巖和有機巖類新型巖石。第四為結(jié)構(gòu)過程：因為地球內(nèi)能作用，地殼發(fā)生抬升、沉降、斷裂、褶皺、火山、地震等結(jié)構(gòu)活動。尤其是當(dāng)?shù)貧ぐl(fā)生大規(guī)模抬升運動時，巖層將遭到強烈侵蝕破壞，地表物質(zhì)又會重新發(fā)生風(fēng)化、搬運、沉積等外動力地質(zhì)過程，形成不間斷地質(zhì)循環(huán)。在自然地理環(huán)境中，地質(zhì)循環(huán)一直在進行著，該過程通常形式可用圖10表示。四、生物循環(huán)（一）生物循環(huán)組成生物循環(huán)即指發(fā)生于生物體本身生命過程中以及生物之間能量與物質(zhì)流通轉(zhuǎn)化過程。它是自然地理系統(tǒng)中特有一個能量與物質(zhì)流轉(zhuǎn)循環(huán)形式。生物循環(huán)由生物食物鏈和生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)兩方面組成。1．生物食物鏈各種生物為了本身生存，與其它生物之間以生產(chǎn)者—消費者—還原分解者關(guān)系親密聯(lián)接組成生命“鏈條”，稱為生物食物鏈，又可簡稱“食物鏈”。在食物鏈中，首先，綠色植物從土壤層中吸收水分和無機養(yǎng)分，由空間中吸收太陽輻射能進行光合作用，將無機物轉(zhuǎn)化成有機物即碳水化合物，完成生物界全部非自養(yǎng)生物賴以生活食物生產(chǎn)。綠色植物是生物鏈中初級生產(chǎn)者。其次，植物初級生產(chǎn)品（被固定太陽能和物質(zhì)）先被第一級消費者食草動物消耗一部分；然后第二級消費者食肉動物以第一級消費者為食物，消耗部分食草動物；第三級消費者食肉動物消耗部分第二級食肉動物；最終由頂級消費者食肉動物（或雜食動物）消耗低級次生物。在順次消耗生物過程中，各級生物經(jīng)過呼吸作用和新陳代謝作用向空間釋放能量，向土壤輸送有機排泄物及有機體殘骸，逐層實現(xiàn)能量與物質(zhì)轉(zhuǎn)化、轉(zhuǎn)移過程。最終，生物圈中微生物將上述土壤中殘余有機物質(zhì)分解還原成無機物，在土壤中再為綠色植物所吸收，重新參加光合作用，從而完成生物食物鏈循環(huán)過程（圖11）。在食物鏈中生物消耗能量與物質(zhì)有一定規(guī)律。美國生物學(xué)家林德曼（R.L.Lindeman）研究認為，食物鏈循環(huán)中不一樣級別生物其能量與物質(zhì)消耗量按“百分之十”比律進行分配：即植物凈初級生產(chǎn)量10％供養(yǎng)食草動物，后者又以10%供養(yǎng)食肉動物，依次分配形成食物鏈。顯然這一規(guī)律表現(xiàn)了生物界維持生命連續(xù)平衡過程。不然如食草動物首先將植物初級生產(chǎn)品全部消耗，植物將不復(fù)生存，生物鏈將不復(fù)存在。其實各級生物之間營養(yǎng)消耗量百分比并非嚴格依“百分之十”比律，通常則變動在30%至1.0%之間。2．生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)生態(tài)系統(tǒng)是生物與非生物環(huán)境之間相互依存，經(jīng)過能量轉(zhuǎn)換和物質(zhì)循環(huán)所組成能量與物質(zhì)運動統(tǒng)一體。實質(zhì)上生態(tài)系統(tǒng)是地表自然地理系統(tǒng)一部分，對于生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)作廣義了解即可視為生物循環(huán)。作狹義了解，是指生物圈內(nèi)各種生物體本身與非生物環(huán)境間進行能量與物質(zhì)輸入與輸出，以維系生命過程，當(dāng)生物生命終止時，再以生物遺骸等回歸環(huán)境完成物質(zhì)循環(huán)。這種循環(huán)有別于生物食物鏈循環(huán)，而稱為“生物地球化學(xué)循環(huán)”（bio-geochemicalcycle）。自然界參加生物體循環(huán)物質(zhì)是生物生命過程中不可缺乏營養(yǎng)元素物質(zhì)，可分為大量元素和微量元素兩類。通常而言，大量元素中在生物體內(nèi)含量占生物體重1.0%以上有碳、氧、氫、氮和磷；其它大量元素如硫、氯、鉀、鈣、鎂、鐵和銅等，其含量約占生物體重0.2～1.0%。生物體中常含有微量元素有鋁、硼、溴、鉻、氟、碘、錳、鉬、硒、硅、鍶、錫、銻、釩、鋅、鎵等，微量元素在生物體內(nèi)含量通常不超出其體重0.2%。自從地球上出現(xiàn)生物以來，生態(tài)系統(tǒng)中生物體物質(zhì)循環(huán)數(shù)量巨大。比如，有學(xué)者估量，現(xiàn)今地球上活生物體總數(shù)有5×1022個（Fisher，1984），如將其中占98%微生物略而不計，其余2%生物體假定按個體平均體重1g，平均壽命為20天計算，則自距今約7×1地球有確鑿生物化石統(tǒng)計以來，生物累計總質(zhì)量將達6.7×1024t，是地球總質(zhì)量5.976×1021t近1000倍。生物物質(zhì)循環(huán)速度也相當(dāng)快，全球生物體全部活物質(zhì)更新周期估算為8年。另外，比如我們已知植物利用大氣CO2進行初級生產(chǎn)，將無機碳轉(zhuǎn)化（固定）為有機碳水化合物過程，是生態(tài)系統(tǒng)中生物與大氣進行物質(zhì)流轉(zhuǎn)循環(huán)一個主要過程。那么，一年中全球植物完成凈初級生產(chǎn)量（NPP）需要從大氣CO2中耗用多少碳？大氣CO2經(jīng)植物體全部消耗循環(huán)一次周期有多長？對此可由以下計算求知。按現(xiàn)今研究，1980～1989年段全球植物年平均NPP固碳量NPP（c）為5.2×1016g(c)（方精云，轉(zhuǎn)引Chameides,Perdue,1997）。該時段內(nèi)全球年平均CO2濃度為346ppm(即346×10-6)。首先按下式求得含碳總量Nc：Nc=××大氣平均質(zhì)量×地球表面積已知：C原子量為12；大氣平均分子量為29；大氣平均質(zhì)量為1.03×103g/cm地球表面積為5.1×1018cm代入上式，Nc=346×10-6××1.03×103×5.1×1018=7.52×1017g（c）。然后計算比值NPP（c）/Nc=5.2×1016/7.52×1017=0.069,由此求知大氣與生物圈植物之間CO流轉(zhuǎn)循環(huán)周期T=l/0.069=14.5年。需要說明是，在地質(zhì)歷史時期，大氣CO2濃度發(fā)生著重大改變，在人類歷史時期，自然環(huán)境尚處于未受人類顯著干擾階段，植物與大氣間碳循環(huán)應(yīng)該有某種平衡，即其循環(huán)周期應(yīng)是一個基本穩(wěn)定數(shù)值。而現(xiàn)今在人類影響日益加劇情況下，1980～1989年間大氣CO2濃度平均每年增加約1.6ppm，因而影響了植物與大氣間碳循環(huán)周期穩(wěn)定性。（二）生物循環(huán)自然地理意義在自然地理系統(tǒng)中，生物循環(huán)自然地理意義可歸納為以下方面：1．實現(xiàn)了太陽能與化學(xué)潛能轉(zhuǎn)換植物經(jīng)過光合作用轉(zhuǎn)化固定太陽能，據(jù)計算合成一克分子C6H12O6，將轉(zhuǎn)化67kcal太陽能，當(dāng)生物在完成生物循環(huán)過程時，將作為生物地球化學(xué)過程能源重新釋放。2．生物循環(huán)引發(fā)化學(xué)元素遷移，使其在自然地理環(huán)境中重新分配地球上自生物出現(xiàn)后，化學(xué)元素在自然界內(nèi)遷移方式被生物循環(huán)過程復(fù)雜化。在生物循環(huán)過程中，化學(xué)元素經(jīng)歷無機物—有機物—無機物方式重復(fù)轉(zhuǎn)化過程，而且植物從大氣圈、水圈、巖石圈中吸收無機元素，改變其富集情況及性質(zhì)；動物經(jīng)過食物鏈轉(zhuǎn)移物質(zhì)，改變各種元素空間分布情況?；瘜W(xué)分析表明，自然界中化學(xué)元素幾乎在生物體內(nèi)大都存在，只是不一樣生物體中元素含量差異較大。比如植物體內(nèi)氮平均含量比巖石圈高出30倍，碳含量高出180倍等。化學(xué)元素在生物遷移過程中，當(dāng)生物體被異養(yǎng)微生物分解發(fā)生礦化作用后，又以無機物形式回歸到無機自然環(huán)境中，實現(xiàn)了其在自然地理環(huán)境中重新分配。3．生物循環(huán)改變大氣組成，并保持大氣成份相對平衡地球原始大氣以甲烷（CH4）和氨（NH3）為主要組成，氫與氧又易結(jié)合成水，故大氣中游離氧很稀少。生物尤其是植物出現(xiàn)后，光合作用主要效果便是使大氣中氧日益增加，改變了大氣組成?，F(xiàn)今大氣中氧總量達1.184×1015t，并在植物光合作用下維持著其總量平衡。另外植物光合作用使第二代大氣中主要成份二氧化碳大量降低，由占85%降到第三代大氣中0.3%左右。實質(zhì)上，綠色植物這種將二氧化碳轉(zhuǎn)化成氧氣功效，是自然地理系統(tǒng)特有主要生產(chǎn)功效之一。4．生物循環(huán)影響并制約水圈化學(xué)成份富集于生物體內(nèi)各種元素，當(dāng)生物有機殘骸被礦化作用分解后，其二氧化物、腐殖質(zhì)、重碳酸鹽離子，以及鋁、硫、鎂、磷等元素進入水介質(zhì)中，成為水化學(xué)組成一部分。另外，有一個觀點認為，海水中富含氯化物成份也是與海洋中生物活動分不開。5．生物循環(huán)將太陽能引入成土過程植物進行光合作用時，太陽能既參加碳水化合物形成，又成為植物葉面蒸騰動力，使植物體從巖石風(fēng)化殼中吸收水分同時，將大量營養(yǎng)元素向地表富集，而植物枯枝落葉也使地表土層增加有機質(zhì)，植物根系有機酸類促成腐殖質(zhì)形成，使土層產(chǎn)生了肥力，促成了土壤形成。6．生物循環(huán)參加了一些巖石和礦物形成沉積巖中生物石灰?guī)r、富含煤和石油有機巖，都是生物有機體產(chǎn)物。鐵細菌、硫細菌以及一些微生物，可使鐵、硫、錳元素富集形成次生礦床。動物成礦作用中，以鳥類排泄物富集而成有機磷礦為經(jīng)典。一樣應(yīng)著重指出是，包含土壤在內(nèi)各類沉積巖、次生沉積礦和有機質(zhì)礦藏形成，都是自然地理系統(tǒng)生產(chǎn)功效實在表現(xiàn)。思索題、討論題、作業(yè)教學(xué)后記一樣，四大循環(huán)學(xué)生們都接觸過這方面知識，應(yīng)該從系統(tǒng)論這個角度闡述四大循環(huán)對自然地理系統(tǒng)作用。講課題目第五章自然地理系統(tǒng)內(nèi)部物質(zhì)聯(lián)絡(luò)第二節(jié)化學(xué)元素遷移講課類型理論課首次講課時間10月18日課時2教學(xué)目標(biāo)經(jīng)過本節(jié)課,使學(xué)生：了解自然地理系統(tǒng)地球化學(xué)遷移；掌握自然地理系統(tǒng)地球化學(xué)遷移影響原因；掌握自然地理系統(tǒng)化學(xué)遷移影響原因。重點與難點1自然地理系統(tǒng)化學(xué)遷移影響原因；2自然地理系統(tǒng)化學(xué)遷移影響原因。教學(xué)伎倆與方法多媒體教學(xué)過程：（包含講課思緒、過程設(shè)計、講解關(guān)鍵點及各部分詳細內(nèi)容、時間分配等）第五章自然地理系統(tǒng)內(nèi)部物質(zhì)聯(lián)絡(luò)第二節(jié)自然地理環(huán)境中化學(xué)元素遷移一、元素地球化學(xué)遷移（10分鐘）現(xiàn)在我們從環(huán)境角度來認識這一問題。組成自然地理環(huán)境基本物質(zhì)是各種化學(xué)元素，不論水、空氣、巖石和生物有機體，在一定理化條件下其元素組合均呈相對穩(wěn)定狀態(tài)。伴隨自然地理環(huán)境中物質(zhì)運動和介質(zhì)環(huán)境改變，原有元素組合一旦失去穩(wěn)定狀態(tài)，便會發(fā)生轉(zhuǎn)移和重新組合，然后會在新理化條件下以新化合物形式相對穩(wěn)定下來。在運動、改變著自然地理環(huán)境中，隨時間推移，化學(xué)元素也不停地從一個存在形式轉(zhuǎn)化為另一個存在形式，并伴隨有一定空間位置轉(zhuǎn)移，這種過程稱為元素地球化學(xué)遷移。元素地球化學(xué)遷移引發(fā)元素分散或富集，在地球表層物質(zhì)化學(xué)組成形成過程中起著主要作用?；瘜W(xué)元素遷移包含兩種情況：一是空間上元素位移，即表現(xiàn)為元素地域分布特征；二是在時間上從物質(zhì)分解，到元素搬運，再到重新化合過程，表現(xiàn)為元素遷移階段性?；瘜W(xué)元素在自然地理環(huán)境中遷移和重新分配，實質(zhì)上是寓于大氣循環(huán)、水分循環(huán)、地質(zhì)循環(huán)和生物循環(huán)這四種基本物質(zhì)循環(huán)過程之中?；瘜W(xué)元素遷移是一個微觀物質(zhì)循環(huán)，它作為自然界物質(zhì)運動普遍形式，貫通于自然地理環(huán)境各組成成份之間，使它們建立緊密聯(lián)絡(luò)和相互制約關(guān)系，而且是參加自然地理環(huán)境地域分異形成原因之一，從而表現(xiàn)元素地球化學(xué)過程在自然地理環(huán)境中作用。二、影響元素遷移原因（40分鐘）（一）影響元素遷移內(nèi)在原因影響化學(xué)元素遷移內(nèi)在原因取決于它物理和化學(xué)性質(zhì)。其中主要是指原子熱力性質(zhì)（即鍵性）、原子和離子引力性質(zhì)、原子化學(xué)性質(zhì)和放射性質(zhì)。1．化學(xué)鍵化學(xué)元素遷移與其單質(zhì)或化合物硬度、溶解度、熔點和沸點等性質(zhì)關(guān)于，而這些性質(zhì)差異均取于化學(xué)鍵性質(zhì)。在自然地理環(huán)境常溫、常壓條件下，絕大多數(shù)元素都呈化合物形式?；衔镌娱g化學(xué)鍵差異，影響著元素遷移能力差異。比如：由游離態(tài)碳組成金剛石和石墨，其結(jié)合鍵性強，難揮發(fā)，遷移能力弱；而碳化合物CO2則輕易揮發(fā)，遷移能力強。2．化學(xué)性質(zhì)以化合物存在元素，其遷移性受化合物化學(xué)性質(zhì)影響，化學(xué)性質(zhì)越穩(wěn)定化合物，遷移能力越弱，反之則越強。化合物化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定性與化合物形成時生成熱關(guān)于，生成熱大化合物穩(wěn)定性大，反之則小。比如氧化物化學(xué)穩(wěn)定性大于硫化物和鹵化物，而其遷移能力即小于硫化物與鹵化物。3．晶格性質(zhì)固體化合物在環(huán)境中穩(wěn)定性與其晶格能關(guān)于。凡晶格能高化合物（如Sn4+、La3+、Ce3+等形成化合物）不易分解，遷移力弱；而晶格能低化合物（如Na+、K+等形成化合物）易分解，遷移力強。4．放射性質(zhì)鈾、釷、錒及一些元素放射性同位素，具備放射性能，即具“天然放射性”。經(jīng)過其原子核α、β衰變過程，使原來放射性元素變成元素周期表上與其相鄰元素，從而改變元素性質(zhì)。同時，元素放射性作用所釋放出能量，還可作為全部其它元素遷移一個主要外界原因。（二）影響元素遷移外在原因這類原因主要指遷移介質(zhì)熱力學(xué)、化學(xué)以及生物學(xué)原因。1．水熱條件地表化學(xué)元素遷移，水是其賦存主要介質(zhì)，熱量是化學(xué)反應(yīng)動力原因。水熱條件影響著元素遷移狀態(tài)。通常地說，在水熱條件充分低緯度濕熱地域，元素遷移速率及強度均大，只有遷移能力弱鐵鋁氧化物殘留在風(fēng)化殼和土壤中。相反，在水熱條件不足干旱地域和高緯度嚴寒地域，除風(fēng)力遷移作用外，地表元素往往不易發(fā)生遷移。2．酸堿度環(huán)境介質(zhì)尤其是各類水溶液酸堿度對大多數(shù)地表元素遷移有主要影響。比如，當(dāng)介質(zhì)PH＜6時，鈣、鍶、鋇、鐳、銅、鋅、鎘、鉻、鎳等元素易形成可溶性化合場隨水溶液遷移；當(dāng)PH＜5時，鐵、鋁、鈷、鉍、錫、釷、鋯、鈦、鉛、鈧等元素易從溶液中以化合物形式沉淀；當(dāng)PH＞8時，鉻、硒、鉬、釩、砷等元素化合物具備較強溶解性，易于遷移；對于鈉、鉀、銣、銫等堿金屬元素而言，對PH不太敏感，在各種酸堿環(huán)境條件下都易溶解和遷移；對于通常金屬氫氧化物而言，其遷移或沉淀狀態(tài)與各類水介質(zhì)PH關(guān)系可參見表4。3．濃度元素濃度是由環(huán)境中該元素數(shù)量與其它組分數(shù)量之比而定。地質(zhì)過程各種化學(xué)反應(yīng)，常引發(fā)元素濃度改變。依照挪威化學(xué)家葛爾德伯（C.MGuldberg）和瓦格（P.Waage）提出“質(zhì)量作用定律”：在一定溫度和壓力下，化學(xué)反應(yīng)處于平衡狀態(tài)時，反應(yīng)物質(zhì)濃度乘積與反應(yīng)生成物濃度乘積之比等于平衡常數(shù)，即式中：Ca、Cb、Ce、Cf——參加平衡反應(yīng)不一樣物質(zhì)濃度；K——平衡常數(shù)。假如反應(yīng)系統(tǒng)中某一物質(zhì)濃度增大，則反應(yīng)生成物濃度也必定對應(yīng)地增大。假如組分濃度達成飽和，則視飽和程度高低而引發(fā)多出組分結(jié)晶或發(fā)生膠體沉淀。反之，假如某一反應(yīng)物質(zhì)濃度降低，則將引發(fā)反應(yīng)物溶解。組分元素濃度改變影響，還表現(xiàn)為元素擴散作用。假如某種元素在不一樣部分濃度不一樣，則該元素將自動從高濃度部分向低濃度部分移動，直到各部分濃度相當(dāng)為止。4．氧化還原電位氧化還原電位本是一個衡量電極反應(yīng)趨勢參數(shù)，也是判斷氧化還原反應(yīng)能否進行依據(jù)，是任何一個天然溶液主要地球化學(xué)參數(shù)。一個物質(zhì)還原電位越大，表明它更易還原，即易從其它物質(zhì)獲取電子，從而將其它物質(zhì)氧化。了解遷移環(huán)境中氧化還原電位，能夠?qū)θ魏谓饘僭卦谠敿毜厍蚧瘜W(xué)環(huán)境中遷移或沉淀可能性做出可靠分析。比如，在沼澤還原環(huán)境中，鐵能夠低價形式存在和遷移，二價鐵化合物比三價鐵化合物更易于溶解。當(dāng)酸性沼澤水注入相對富含氧河水時，它酸度不但會因為稀釋而急劇下降，而且溶液氧化電位也要急劇升高，結(jié)果二價鐵離子轉(zhuǎn)變?yōu)槿齼r鐵離子，從而促進了三價鐵氧化物沉淀。5．絡(luò)合物作用由一個簡單離子與幾個異號離子或中性離子結(jié)合而成復(fù)雜離子叫絡(luò)離子，由絡(luò)離子與其余異號離子再絡(luò)合形成化合物稱為絡(luò)合物。當(dāng)元素尤其是重金屬元素從礦物中溶入溶液后，形成絡(luò)離子及絡(luò)合物，其溶解度大增，同時它們在溶液中穩(wěn)定性也大為提升，因而更易隨水流遷移。比如，水環(huán)境中常見、、、等與硫化物、磷酸鹽等，以及地下水中溶解、、等，與分散在巖石、礦物中重金屬元素銅、鉛、鋅、錫、汞、釩、金、銻、鈷、鎳、鉬等形成絡(luò)離子和絡(luò)合物之后，將大大提升這些元素在水介質(zhì)中遷移能力。6．膠體吸附元素遷移膠體形式和吸附現(xiàn)象，在鐵、鋁、錳以及其它多個重金屬元素絡(luò)合物遷移和富集過程中起主要作用。在富含有機質(zhì)酸性介質(zhì)中，大多數(shù)兩性元素是以膠體形式遷移。在地表水和地下水中，作為元素吸附劑膠體物質(zhì)主要是呈分散狀粘土礦物懸浮物和腐殖質(zhì)膠體，另外還有氫氧化鐵、氫氧化錳、氫氧化鋁及二氧化硅等。所以，在水介質(zhì)輸運過程中，化學(xué)元素沉淀析出，主要取決于各種膠體吸附劑在水介質(zhì)環(huán)境發(fā)生改變時沉淀。7．生物活動如前所述，生物地球化學(xué)遷移是物質(zhì)循環(huán)主要形式之一，它經(jīng)過（1）生物作用下巖石分解，形成化學(xué)元素可溶性化合物；（2）從空氣和水溶液中獲取生命元素及微量元素在生物體中積累；（3）生物有機體死亡殘骸再分解與礦化作用，完成化學(xué)元素再循環(huán)，同時又改變著元素時空分布特征。8．人類活動伴隨人類生產(chǎn)活動日益發(fā)展，人類不停從地殼中開發(fā)釋放出多個無機元素和有機化合物，而且人工合成大量新物質(zhì)輸入于自然環(huán)境中，形成一個很強由人為污染物組成地球化學(xué)流。這么，在原有地表天然地球化學(xué)過程中，又增加了人為地球化學(xué)過程干擾影響，局部或大范圍地改變了大氣、水、生物與土壤圈中化學(xué)元素遷移和分布規(guī)律，并在制造環(huán)境污染、破壞自然環(huán)境，從而造成生態(tài)惡化嚴重后果。三、元素遷移方式（30分鐘）在本節(jié)第一部分里已經(jīng)指出，化學(xué)元素在自然地理環(huán)境中遷移，其實質(zhì)即寓于大氣、水分、地質(zhì)和生物四種基本物質(zhì)循環(huán)之中。以上四種物質(zhì)循環(huán)是針對自然環(huán)境中物質(zhì)以氣、液、固三態(tài)形式宏觀運動而言；元素地球化學(xué)遷移則是對物質(zhì)以元素或化合物形式進行微觀運動而言。依照元素遷移介質(zhì)不一樣，其遷移方式可分為水遷移、空氣遷移和生物遷移三種。其中又以水遷移為最主要方式。（一）水遷移化學(xué)元素水遷移方式是指陸地風(fēng)化殼及土壤中化學(xué)元素呈簡單離子、絡(luò)合離子、分子、膠體或懸浮物狀態(tài)，作為溶質(zhì)在水介質(zhì)中遷移方式。元素遷移方向，現(xiàn)有隨水流所作水平運動，也有在土壤中滲漏和在毛細管作用下遷移垂直方向。在水流遷移過程中，介質(zhì)條件發(fā)生改變時，會發(fā)生沉淀現(xiàn)象。化學(xué)元素水遷移能力可用水遷移系數(shù)Kx表示。它反應(yīng)某元素x在水介質(zhì)中相對含量與該元素在水體流經(jīng)區(qū)巖石中平均含量之比，即：式中：kx——x元素水遷移系數(shù)；mx——x元素在水介質(zhì)中含量（mg/l）；a——水介質(zhì)總礦化度（mg/l）;nx——x元素在水流經(jīng)區(qū)內(nèi)巖石中平均含量（豐度）（%）。Kx值愈大，表明該元素在水介質(zhì)中遷移流失量越大。比如在河水中Na+與Cl-在一起遷移，