地球不同圈层间的物质-能量交换解析

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。4．1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8.37×1020J，平均每平方厘米的地表达6.28×10-6J，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2.93×10-6J／cm2／s，而这个地区地表热流值q为3.77×10-6J／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8.37×10-6J／cm2／s，其中5.86×10-6J／cm2／s由深部地幔提供。这个年轻活动区年龄为0～65×106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5.86×10-6J／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5×106年内形成的大洋中脊热流值大于1.26×10-5J／cm2／s，在50百万～100百万年年龄的海底洋盆热流值约5.86×10-6J／cm2／s，年龄大于125百万年的海底热流值小于5.07×10-6J／cm2／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。4．2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1．4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）。（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。4．5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消耗尽的问题。（3）潘多拉魔盒——矿床开发与环境人来自自然，因而一般说来，地球表面或环境中的各种元素，除少数特殊地区之外（如地方病流行区），并不会富集到有害于人类的程度。埋藏于地下的资源是不会污染环境的，但是，一旦它们被采掘并运输到地面，在高温高压下形成的矿物，在表生条件下，在氧和水的作用下组成它们的元素活化了，并随水流四处迁移，就像被打开的潘多拉魔盒一样，祸害四处飘散。这样从开采、洗选、冶炼、加工和利用的全过程无不对地球环境造成污染。因此，它除了可供人类利用以满足人类的需要之外，同时也存在负面影响。从勘探和开采开始，即对土地构成破坏，农田和森林中钻井溢出的泥浆横流，坑道及采掘的碎石堆积，洗选厂尾矿堆积都占用土地。这些废石、尾矿的堆积在暴雨季节常常造成矿石流，推毁农田、道路、桥梁。废石堆还可造成塌方、滑坡等事故。露天开采或坑采采空区的塌陷更可造成大面积农田被毁。在环境保护方面特别要重视矿山完成采掘之后的农田的复耕工作。废石、尾矿的堆放长时间的风化使矿物中一些有害元素活化，雨水将其带入地表径流或水中，导致水质的严重污染。