[科普中國(guó)]-地球化學(xué)旋回

地球化學(xué)旋回（geochemical cycle）是研究化學(xué)元素及其同位素在巖漿作用一熱液作用一風(fēng)化作用和沉積作用—變質(zhì)作用或深熔作用這一地質(zhì)大旋回中的演化。

簡(jiǎn)介地球化學(xué)旋回（geochemical cycle）是研究化學(xué)元素及其同位素在巖漿 作用一熱液作用一風(fēng)化作用和沉積作用—變質(zhì)作用或深熔作用這一地質(zhì)大旋回中的演化。在地球發(fā)展史中，各地球化學(xué)旋回都有自己的特點(diǎn)，而不是簡(jiǎn)單的機(jī)械重復(fù)。而且旋回中的某一階段可能延長(zhǎng)或縮短，甚至缺失?；瘜W(xué)元素在旋回的某一階段可能集中在某種類型的礦床中，或者在整個(gè)旋回中一直處于分散狀態(tài)。研究地球化學(xué)旋回，對(duì)于了解元素的地球化學(xué)史具有重要的意義。

元素和化學(xué)物質(zhì)在地球各圈層之間沿著循環(huán)的作用途徑遷移活動(dòng)的地球化學(xué)過程。1

主要內(nèi)容地球化學(xué)旋回亦稱 “地球化學(xué)循環(huán)”。是指各元素或各類元素及同位素在地殼和殼下各帶中以及在地表上、大氣中所歷經(jīng)的途徑。它屬于地球化學(xué)的概念，包括地球化學(xué)分異作用，即元素在地球的各種作用下的自然分離與集中和熱促成的元素再結(jié)合作用。巖石圈的地球化學(xué)循環(huán)，從巖漿在地表或深部的結(jié)晶作用開始，地表的蝕變和風(fēng)化作用破壞火成巖，接著是破壞的產(chǎn)物經(jīng)過搬運(yùn)和沉積作用成為沉積物，再經(jīng)過固結(jié)作用成為巖石，最后經(jīng)過變質(zhì)直至出現(xiàn)熔融生成新的巖漿。氧的地球化學(xué)循環(huán)，從光合作用和光解作用以及其他作用中不斷產(chǎn)生氧，并進(jìn)入大氣圈，并以形形色色的氧化作用自大氣中跑掉，構(gòu)成了現(xiàn)代大氣圈中氧的平衡。地球化學(xué)循環(huán)，雖在短期內(nèi)處于穩(wěn)定狀態(tài)，但在長(zhǎng)期內(nèi)則發(fā)生著變化。研究地球化學(xué)循環(huán)，對(duì)于了解元素的地球化學(xué)史具有重要的意義。1

理論提出1950年K.蘭卡馬和 Th.G.薩哈馬首先提出兩種地球化學(xué)旋回，即大旋回（或內(nèi)生旋回）和小旋回（或外生旋回）。在大旋回中，物質(zhì)的遷移從巖漿結(jié)晶作用開始，經(jīng)過火成巖的蝕變和風(fēng)化作用，及所產(chǎn)生物質(zhì)的搬運(yùn)與沉積作用，然后經(jīng)過成巖作用和固結(jié)作用而至不斷升級(jí)的變質(zhì)作用，最后經(jīng)過深熔及部分熔融作用，重新生成巖漿。圖中虛線表示小旋回的遷移作用路徑，沉積巖或變質(zhì)巖不通過內(nèi)生作用直接遭受風(fēng)化、搬運(yùn)，物質(zhì)繼續(xù)在表生作用中遷移。1

B.梅森（1982）指出，物質(zhì)的地球化學(xué)旋回是一種理想的模式，實(shí)際 上物質(zhì)的旋回常常是不完整的或者是不連續(xù)的，它可能在某一個(gè)階段無(wú)限期的停留，或者超越或者倒轉(zhuǎn)。無(wú)論在物質(zhì)質(zhì)量方面還是能量方面地球化學(xué)旋回都不是封閉的循環(huán)。它不斷地接受來(lái)自深部的“原始”巖漿和與巖漿一起帶來(lái)的以熱的形式表現(xiàn)的能量。地球還連續(xù)不斷地接受來(lái)自宇宙空間的物質(zhì)和能量，如隕石和太陽(yáng)輻射，與太空進(jìn)行物質(zhì)和能量的交換。自地球形成以來(lái)，經(jīng)歷多次地球化學(xué)旋回遷移，地球物質(zhì)向異化方向發(fā)展，其結(jié)果，作用的性質(zhì)和方式是旋回的，但各時(shí)期形成的產(chǎn)物是演化前進(jìn)的。

概念的發(fā)展70年代以來(lái)，板塊理論的研究促進(jìn)了地球化學(xué)旋回概念的發(fā)展。對(duì)流作用是控制地球化學(xué)旋回最重要的地球動(dòng)力學(xué)因素，據(jù)此，可將一個(gè)地球化學(xué)旋回分作3個(gè)階段。1

對(duì)流圈的上升地幔內(nèi)部放射性熱的積聚導(dǎo)致熱地幔羽的形成，它們?cè)趶V闊空間地帶上升，在大洋的巨大海嶺帶產(chǎn)生火山現(xiàn)象，結(jié)晶形成玄武巖類巖石，構(gòu)成輕的新地殼。絕大多數(shù)到達(dá)或接近表面的新的巖漿都在海底的環(huán)境下冷卻和結(jié)晶，冷卻作用必然伴隨海水的對(duì)流循環(huán)。在洋中脊地帶，由熱地殼帶來(lái)的熱能，幾乎一半被轉(zhuǎn)移到海水中去。在海底火山地區(qū)，熱泉熱水的溫度超過300攝氏度。1

冷的海水與熱的玄武質(zhì)巖石之間的相互作用，使巖石產(chǎn)生深刻的化學(xué)變化，同時(shí)也改變了海水的化學(xué)成分。這樣，在水圈與來(lái)源于地幔的新的地殼之間進(jìn)行著一種極復(fù)雜的地球化學(xué)交換過程。例如，水被固定在含水礦物中；溶解于海水中的氧氧化了較上部巖石并形成了赤鐵礦和磁鐵礦；海水中的二氧化碳被固定在碳酸鹽礦物中；鈉離子與玄武巖中硅酸鹽的陽(yáng)離子交換形成鈉長(zhǎng)石，而鉀離子通過低溫蝕變作用被固定在復(fù)雜的粘土礦物中。

就海水而言，當(dāng)冷的海水對(duì)流向下進(jìn)入到玄武質(zhì)新地殼中時(shí)，它被加熱，最終又排回到表層。由于發(fā)生了交換反應(yīng)，涌回的水流變得富于氣態(tài)氫和銅、錳、鐵、鉻、鎳、鋅、銀、金等微量金屬。這些金屬可呈氯化物的形式返回大洋－巖石的界面，其中的有些金屬沉淀在巖石的裂隙中或呈硫化物在海底界面沉積形成新的金屬礦石。

對(duì)流圈的下沉在洋中脊所形成而又在化學(xué)上被改造的新地殼和巖石圈，從海嶺向外擴(kuò)張，在地球的巨大海溝體系沿著消減帶幾乎完全返回到地幔中去。在此所有被固定在蝕變洋殼中的化學(xué)物質(zhì)被帶回到地幔，大氣和水圈的組分也重新循環(huán)深入到地幔中去。在比較老，相應(yīng)比較重和冷的地殼到達(dá)消減帶之前，它被沉積層所覆蓋。在消減作用中，部分沉積物可能被刮集起來(lái)形成大陸地殼；部分則將被消減。消減作用的特征在于，某種物質(zhì)被消減時(shí)，將會(huì)伴隨某種有效的循環(huán)回流機(jī)制。1

最明顯的回流發(fā)生在與消減帶上部地區(qū)相組合的火山作用中。當(dāng)下沉 的地殼變得足夠的熱，脫水作用將可能引起地殼自身物質(zhì)和上部地幔熔化產(chǎn)生安山巖漿。在消減帶上升的巖漿，把熱量帶到上部地殼，導(dǎo)致了大陸地殼局部熔融及花崗巖類巖漿的形成?；◢徺|(zhì)巖漿呈巨大的液泡體（體積常?？蛇_(dá)500立方千米）上升，當(dāng)侵入到近地表的地方，逐漸變冷和開裂，并受到大陸地下水的冷卻作用。與這些高溫物質(zhì)的上升有關(guān)而伴隨的水流體對(duì)流作用，再一次導(dǎo)致了許多主要金屬礦床的形成，如銅、錫、鎢、鉬和金等。

侵蝕作用對(duì)流作用造成了地球淺表的物質(zhì)成分和構(gòu)造特征，形成了海拔較高的地區(qū)，從而遭受侵蝕，物質(zhì)呈質(zhì)點(diǎn)和溶液被帶走。這些侵蝕作用包括大氣圈、大陸水圈和生物圈的各種反應(yīng)過程，并標(biāo)志為地球化學(xué)旋回的結(jié)束階段。

在現(xiàn)代，大陸的侵蝕率約為1014千克/年，考慮到大陸地殼的總體物質(zhì)為1.6×1022千克，在理論上用幾億年的時(shí)間將全部被侵蝕掉。然而，許多古老地殼的長(zhǎng)期存在說(shuō)明這種再循環(huán)并未在全球范圍內(nèi)徹底發(fā)生。侵蝕作用把溶解的物質(zhì)重新排放到海洋，而其中的一部分又參與到新的地球化學(xué)旋回中去，起著改造洋底火山地殼化學(xué)成分的作用，而這部分海底地殼最終又將返回到地幔。1

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

張勇 - 副教授 - 西南大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院