地球不同圈層間的物質-能量交換解析

4地球不同圈層間的物質-能量交換地球各圈層之間的物質與能量狀態(tài)的差異，是圈層相互作用和物質能量交換的動力。4．1不同圈層的能量交換（1）地球的熱傳導熱量總是從高溫區(qū)向低溫區(qū)傳遞的，在第三章我們討論了地球內部溫度的分布狀況。地球內部的熱可以通過熱傳導、熱輻射、激子（輻射激發(fā)的原子）、物質運動（如地下熱泉、火山活動、巖漿活動、以及地幔對流等）幾種方式傳導到地球表面。物質運動傳導輸送的熱能就會和前三種熱傳導方式總和的量級相當。（2）熱流觀測地球的熱流值是通過大陸和海洋直接觀測和計算的。將大約10m長的巖芯管插入沉積物中，測定從海底釋放出來的熱，巖芯管一側的溫度計則記錄下不同深度的溫度，將巖芯取上來之后，可以測定沉積物的熱傳導率，將熱傳導率乘以溫度梯度即得熱流值。大陸是將溫度計放置在鉆孔中測得的。目前已成千上萬次地在不同的大陸和洋底測定了熱流值和地溫梯度。并由此掌握了大陸和大洋，以及不同地區(qū)熱流的差異。一般估計，每年從地球內部傳遞到地表的熱能大約8.37×1020J，平均每平方厘米的地表達6.28×10-6J，大概是每年通過地震釋放能量的100倍。大陸熱流：大陸殼最上部是花崗巖，花崗巖由于富含放射性元素，因而是最熱的巖石。大陸熱流一部分來自地殼巖石中的放射性元素衰變產(chǎn)生的熱能，另一部分來自深部地幔，兩者所占的比例，不同的構造區(qū)有所差別。如加拿大地盾深部產(chǎn)生的熱流q值約2.93×10-6J／cm2／s，而這個地區(qū)地表熱流值q為3.77×10-6J／cm2／s。說明有1／4的熱流來自地殼，而3／4來自深部地幔。而在盆地和年輕的活動山區(qū)，地表平均熱流值q約為8.37×10-6J／cm2／s，其中5.86×10-6J／cm2／s由深部地幔提供。這個年輕活動區(qū)年齡為0～65×106年，總熱流值是古老地盾區(qū)的兩倍。約70％熱流來自地幔深部。地質學家推測上升的熱對流柱位于盆地和年輕山脈之下，這里有熱異常、地殼比較薄、火山作用及地震頻繁等釋放能量的構造運動。對于大陸而言，各種不同年齡的構造區(qū)，熱流值有所差別，通常古老的穩(wěn)定區(qū)熱流值較低，年輕的活動區(qū)熱流值較高。但總體上看，大陸平均熱流值為5.86×10-6J／cm2／s。海底熱流：同大陸相比，海底要年輕得多。海低熱流值的觀測發(fā)現(xiàn)，和大陸一樣，熱流值與地質特征關系密切。在近5×106年內形成的大洋中脊熱流值大于1.26×10-5J／cm2／s，在50百萬～100百萬年年齡的海底洋盆熱流值約5.86×10-6J／cm2／s，年齡大于125百萬年的海底熱流值小于5.07×10-6J／cm2／s。海底熱流值隨年齡增加而減少，說明了海底巖石圈的冷卻過程。即從大洋中脊產(chǎn)生較熱的巖石圈，向兩側逐漸推向遠離中脊的海溝，溫度逐漸冷卻，冷卻了的巖石圈在海溝處向下俯沖回到地幔中，地球物理學家認為這種對流形式約占地球總熱流值的60％，是地球冷卻的主要方式。4．2不同圈層的物質交換地球不同圈層之間的物質交換有多種方式，最主要的是地球的物質循環(huán)過程和元素的遷移過程。（1）地殼-地幔物質循環(huán)地球最大規(guī)模的物質循環(huán)是與板塊運動分不開的，沿地幔熱柱上升的玄武巖熔漿從大洋中脊涌出并冷卻形成的洋殼，并在海溝處因俯沖作用被插入大陸巖石圈之下的軟流圈，在地幔軟流圈被加熱并熔融，與地幔物質混合后重新加入地幔的對流循環(huán)。這部分內容將在第五章1．4節(jié)中詳細介紹。巖漿-射氣作用引起的地幔-地殼-水-大氣的物質交換，幔源巖漿上升到地殼淺部或溢出地表并伴隨氣水的噴射，使地幔物質向地殼、水圈和大氣圈遷移。另一方面，巖石在地殼內部也可以因地殼運動或放射性聚熱而熔融，轉變?yōu)閹r漿，導致地殼內部的物質分異。巖漿冷卻凝固形成的巖石上升到地表后，受風化作用而溶解、破碎呈溶液、碎屑，被水流、風搬運到湖泊、海洋沉積下來，隨著地殼的下沉，在地殼深部壓實形成巖石，或者隨著洋殼俯沖到地幔軟流圈加熱熔融，重新加入地幔的對流循環(huán)（圖4-9）。（2）重金屬元素在水中的遷移重金屬元素主要是指汞、鎘、鉛、鉻以及類金屬砷等毒性大的元素，它可以來自礦床開采，使含有重金屬元素的礦物從地下深處暴露出地表，或者通過工業(yè)加工過程排放到土壤、大氣或水中。即使其含量均小于0.1％，但污染的危害程度卻十分顯著，表現(xiàn)為對生物明顯的毒性效應。重金屬元素在水中以機械的、物理化學的和生物的方式發(fā)生遷移。機械遷移是指重金屬以溶解態(tài)或顆粒態(tài)遷移；物理化學遷移是指重金屬以離子、絡離子或可溶性分子在水中以物理化學的方式遷移；生物遷移是指重金屬在生物體的新陳代謝、生長、死亡以及食物鏈等方式遷移。（3）元素的富集——地球化學障地球化學屏障是元素遷移過程中的一種特殊的現(xiàn)象，當元素遷移到某處，環(huán)境的物理化學條件發(fā)生改變，可使元素從活化遷移狀態(tài)轉化為靜止狀態(tài)，并使元素富集。許多大型、超大型礦床都與地球化學急劇轉變帶有關。地球化學障有氧化還原障、酸堿性屏障、生物屏障、吸附屏障和蒸發(fā)屏障等。氧化障在還原環(huán)境被遷移的元素驟然轉化為氧化環(huán)境時會發(fā)生沉淀和富集，如富含H2S的溫泉溢出地表被氧化為硫磺，富集和堆積在泉口。氧化屏障可導致Fe、Mn、Co、S、Sr、Ba等元素的沉淀和富集。還原障在氧化條件下遷移的元素（如V、As、Cr、Mo、Se、Co、Ni、Cd、Au等）驟然轉化為還原環(huán)境可發(fā)生沉淀和富集；而Fe、Cu、Pb、Zn、Ag、Hg、Cd、U等元素遷移中遇到富含H2S的還原水，形成金屬硫化物礦物。酸性屏障在酸性條件下SiO2形成沉淀，當pH值＜5時，F(xiàn)e3+、Al3+、Co3+、Cr3+、Bi3+、Sn2+、Th4+、Zr4+、Ti4+、Sb3+、Sc3+等元素離子易形成沉淀和富集。堿性屏障通過硫化礦床或超基性巖的酸性水帶有豐富的金屬離子，當它流經(jīng)石灰?guī)r地層時，水的pH值顯著提高，使Ca、Mg、Fe、Mn、Cu、Pb、Zn、Sr、V、Cr、Co、Ni、Cd等元素沉淀和富集。蒸發(fā)屏障在干旱地區(qū)，強烈的蒸發(fā)作用引起土壤的鹽堿化，大量的K、Na、Ca、Mg的硫酸鹽、碳酸鹽和氯化物沉淀，還可富集F、I、B、Sr、Mo等微量元素。生物屏障生物對某些元素有富集作用，許多植物對Cu、Pb、Zn、Fe、Ti、Ga、Ge、As、Se、F有富集作用，如銅草對Cu的富集，硅藻對SiO2的富集。煤（古代森林）灰中富含Ga、Ge、S、As、Se、F等元素?，F(xiàn)代林區(qū)的土壤中富含Cu、Pb、Zn、Fe、Ti等元素。放射性元素通過地表、大氣層核爆試驗及核電站和核能研究排放廢物、廢液進入土壤，如Sr90、Cs137，它門被土壤中的無機膠體吸附，也可與有機酸形成絡合物并被植物吸收，通過食物鏈進入人體。吸附屏障土壤、河湖底部的粘土等對元素有極強的吸附能力，如吸附Na、K、Mg、Ca、Pt、Au、Ag、Hg、V、Cu、Ni、Co、Ba、Zn、Pb、Ti等元素，使水中的一些對生物有毒害作用的元素，如Hg、Cd、Pb、Ti等得到凈化。此外水溶液中的各種膠體對元素也有選擇性的吸附，如硅酸鹽溶膠易吸附Cu、Co。氫氧化錳易吸附Li、Cu、Ni、Co、Zn、Ra、Ba、W、Ag、Au、Ti等元素。土壤對化學農藥還有降解和吸附作用使其凈化。4．5礦床與潘多拉魔盒（1）地殼中的元素豐度迄今為止人類所利用的天然元素幾乎都來自地殼的表層。人類活動（如超深鉆）目前可能到達的最大深度也只有13km。而礦床開采還要淺，最深的石油開采也只有4000多米。其他固體礦床就更淺。我們常用的大部分元素的含量在地殼的大部分地方大都接近于該元素的地殼平均豐度，說明它們有均一化的趨勢。地殼中元素平均豐度是指某一元素在地殼中的平均重量百分含量，稱為克拉克值。它是根據(jù)對所有巖石類型進行大量化學分析所測得的結果，經(jīng)過加權平均計算出來的。元素克拉克值反映了地殼的平均化學成分，也是微量元素在地殼某些地方中集中或分散程度的標準。（2）礦床的概念地殼中存在著人類需要的各種元素。但是人類真正能夠利用的，除了少數(shù)可以用作建筑材料的巖石之外，大多數(shù)巖石并不能用于提煉人類所需要的各種元素。這是因為我們所需要的元素，在多數(shù)的巖石中含量太低了，以致于將它們開采出來并進行提煉，所付出的遠遠超過所得，在經(jīng)濟上是極不合算的。因此地質學家們要尋找出一種巖石，某種有經(jīng)濟價值的元素能夠濃集到這樣的程度，即將它開采和提煉出來所得到的價值比開采和提煉它們所付出的費用要高得多，只有這種巖石，才具有經(jīng)濟價值。我們就把這種比地殼中元素豐度要大得多的巖石稱為礦床。不同的元素要成為礦床其濃集程度差別很大，在不同的國家也有所差別。有的只需濃集到比地殼中該元素豐度的幾倍就足于成為礦床，有的則需要濃集幾百至十萬倍才成為礦床表4-2是幾種可供開采的主要的金屬元素的濃集系數(shù)。這樣一來，礦床在地殼中不僅是十分特殊的巖石，而且是罕見的，為數(shù)不多的。從這個意義來說，就存在著地球資源被人類消耗盡的問題。（3）潘多拉魔盒——礦床開發(fā)與環(huán)境人來自自然，因而一般說來，地球表面或環(huán)境中的各種元素，除少數(shù)特殊地區(qū)之外（如地方病流行區(qū)），并不會富集到有害于人類的程度。埋藏于地下的資源是不會污染環(huán)境的，但是，一旦它們被采掘并運輸?shù)降孛?，在高溫高壓下形成的礦物，在表生條件下，在氧和水的作用下組成它們的元素活化了，并隨水流四處遷移，就像被打開的潘多拉魔盒一樣，禍害四處飄散。這樣從開采、洗選、冶煉、加工和利用的全過程無不對地球環(huán)境造成污染。因此，它除了可供人類利用以滿足人類的需要之外，同時也存在負面影響。從勘探和開采開始，即對土地構成破壞，農田和森林中鉆井溢出的泥漿橫流，坑道及采掘的碎石堆積，洗選廠尾礦堆積都占用土地。這些廢石、尾礦的堆積在暴雨季節(jié)常常造成礦石流，推毀農田、道路、橋梁。廢石堆還可造成塌方、滑坡等事故。露天開采或坑采采空區(qū)的塌陷更可造成大面積農田被毀。在環(huán)境保護方面特別要重視礦山完成采掘之后的農田的復耕工作。廢石、尾礦的堆放長時間的風化使礦物中一些有害元素活化，雨水將其帶入地表徑流或水中，導致水質的嚴重污染。