元素和化學物質在地球各圈層之間沿著迴圈的作用途徑遷移活動的地球化學過程。
1950年K.蘭卡馬和 Th.G.薩哈馬首先提出兩種地球化學旋回,即大旋回(或內生旋回)和小旋回(或外生旋回)。在大旋回中,物質的遷移從巖漿結晶作用開始(圖1),
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B.梅森(1982)指出,圖1所示物質的地球化學旋回是一種理想的模式,實際上物質的旋回常常是不完整的或者是不連續的,它可能在某一個階段無限期的停留,或者超越或者倒轉。無論在物質質量方面還是能量方面地球化學旋回都不是封閉的循環。它不斷地接受來自深部的“原始”巖漿和與巖漿一起帶來的以熱的形式表現的能量。地球還連續不斷地接受來自宇宙空間的物質和能量,如隕石和太陽輻射,與太空進行物質和能量的交換。自地球形成以來,經歷多次地球化學旋回遷移,地球物質向異化方向發展,其結果,作用的性質和方式是旋回的,但各時期形成的產物是演化前進的。
70年代以來,板塊理論的研究促進瞭地球化學旋回概念的發展。對流作用是控制地球化學旋回最重要的地球動力學因素,據此,可將一個地球化學旋回分作3個階段。
第一階段:對流圈的上升。地幔內部放射性熱的積聚導致熱地幔羽的形成(圖2),
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冷的海水與熱的玄武質巖石之間的相互作用,使巖石產生深刻的化學變化,同時也改變瞭海水的化學成分。這樣,在水圈與來源於地幔的新的地殼之間進行著一種極復雜的地球化學交換過程。例如,水被固定在含水礦物中;溶解於海水中的氧氧化瞭較上部巖石並形成瞭赤鐵礦和磁鐵礦;海水中的二氧化碳被固定在碳酸鹽礦物中;鈉離子與玄武巖中矽酸鹽的陽離子交換形成鈉長石,而鉀離子通過低溫蝕變作用被固定在復雜的粘土礦物中。
就海水而言,當冷的海水對流向下進入到玄武質新地殼中時,它被加熱,最終又排回到表層。由於發生瞭交換反應,湧回的水流變得富於氣態氫和銅、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。
第二階段:對流圈的下沉。在洋中脊所形成而又在化學上被改造的新地殼和巖石圈(圖3),
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最明顯的回流發生在與消減帶上部地區相組合的火山作用中。當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和上部地幔熔化產生安山巖漿。在消減帶上升的巖漿,把熱量帶到上部地殼,導致瞭大陸地殼局部熔融及花崗巖類巖漿的形成。花崗質巖漿呈巨大的液泡體(體積常常可達500立方千米)上升,當侵入到近地表的地方,逐漸變冷和開裂,並受到大陸地下水的冷卻作用。與這些高溫物質的上升有關而伴隨的水流體對流作用,再一次導致瞭許多主要金屬礦床的形成,如銅、錫、鎢、鉬和金等。
第三階段:侵蝕作用。對流作用造成瞭地球淺表的物質成分和構造特征,形成瞭海拔較高的地區,從而遭受侵蝕,物質呈質點和溶液被帶走。這些侵蝕作用包括大氣圈、大陸水圈和生物圈的各種反應過程,並標志為地球化學旋回的結束階段。
在現代,大陸的侵蝕率約為1014千克/年,考慮到大陸地殼的總體物質為1.6×1022千克,在理論上用幾億年的時間將全部被侵蝕掉。然而,許多古老地殼的長期存在說明這種再循環並未在全球范圍內徹底發生。侵蝕作用把溶解的物質重新排放到海洋,而其中的一部分又參與到新的地球化學旋回中去,起著改造洋底火山地殼化學成分的作用,而這部分海底地殼最終又將返回到地幔。
參考書目
曹榮龍著:成礦條件的模擬實驗,《海南島地質與石碌鐵礦地球化學》,第16章,科學出版社,北京,1986。