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地球科学原理之29 地球的pH值演化过程

已有 4640 次阅读 2009-4-23 20:05 |个人分类:地球科学|系统分类:科研笔记| 地球科学, 地球演化, pH值, 地球科学原理, 酸性

广东海洋大学

廖永岩

(电子信箱:rock6783@126.com

 

38-40亿年前当地球的地壳冷却至水蒸气的凝聚点时,就有液态水的形成Nutman, et. al., 2001; 张均,1998。因为地球已经进行了6亿多年左右的去气作用,原始大气中已有很多的CO2,也有很多的地球去气作用排出的HClHF等其它酸性气体。所以,地表一有液态水的形成,就会有CO2等酸性气体溶入。所以,海洋刚形成时,pH值应是比较低的,应为0.3左右陈福等,1997;陈福,2000Krauskopf and Bird, 1995; White and Waring, 1963

构成地壳的硅酸盐岩,如花岗岩、玄武岩和橄榄岩,是在高温下形成的各种硅酸盐的复合物。在高温高压下形成时,由于聚合、络合等作用,往往形成复杂而难以风化的结构。风化它们,需要较低的pH值。pH值不低,硅酸盐岩就算能风化,也风化得不完全或风化得相当缓慢;pH值越低,硅酸盐岩风化得越彻底、越迅速。所以,pH值越低,风化作用越强,pH值越高,风化作用越弱。构成地壳的硅酸盐岩,一旦风化后,在常温常压下,就很难再形成类似的硅酸盐岩;要形成单种的硅酸盐岩,也需要比风化时高得多的pH值及相对高的单种硅酸盐的浓度。这种情况除在热液矿床形成时有可能形成外,海洋和湖泊等地球的主要水圈很难发生。所以,硅酸盐岩的风化,在一定程度上讲,是不可逆的。

由于构成各种硅酸盐岩的结构不一样、金属离子不一样,风化作用对其的影响也不一样。就结构来说,SiO4四面体作为硅酸盐的基本构造单位,可以孤立地被其它金属离子包围起来,也可以彼此以共用角顶的方式连结起来形成各种形式的硅氧骨干。其中,岛状硅氧骨干硅酸盐岩含硅最少,含金属离子最多,最易风化,如橄榄岩类;其次为环状和链式硅氧骨干硅酸盐岩,含硅较少,含金属离子较多,比较容易风化,如辉石类。风化它们,需要的pH值也不太低。架状硅氧骨干硅酸盐岩含硅相对较多,含金属离子相对较少,较不易风化,风化释放出的金属离子也较少,风化它们,需要相对较低的pH值,如长石类。层状硅氧骨干硅酸盐岩含硅最多,含金属离子最少,最不易风化,风化释放出的金属离子,也相对最少,风化它们,需要很低的pH值,如云母和高岭石类等。层状及架状硅氧骨干硅酸盐岩和石英岩(SiO2岩,硅酸岩)一样,都具有近似架状的结构,只是架状及层状硅氧骨干硅酸盐岩含的金属离子比石英岩多,石英岩含硅比层状及架状硅氧骨干硅酸盐岩更高而已。所以,层状及架状硅氧骨干硅酸盐岩,虽然还是硅酸盐岩,但已十分接近石英岩。总体来说,岛状硅酸盐岩→环状硅酸盐岩→链状硅酸盐岩→架状硅酸盐岩→层状硅酸盐岩→架状硅酸岩(SiO2岩、硅酸岩),岩石所含金属离子越来越少,含硅越来越多,越来越不易风化,风化它们需要越来越低的pH值。

在同等结构条件下,活泼金属离子(如钠、钾等)形成的硅酸盐岩易风化,快速彻底地风化它们的pH值相对不太低;不活泼金属离子(如锰、铅等)形成的硅酸盐岩不易风化,快速彻底地风化它们,需要相对较低的pH值。就不同岩石来说,含架状或层状硅氧骨干较多的花岗岩类等酸性硅酸盐岩,难风化,风化后提供的金属离子和硅酸根离子少;含岛状、环状或链状硅氧骨干较多的橄榄岩、玄武岩等基性硅酸盐岩,易风化,风化后提供的金属离子和硅酸根离子多。

由于地壳形成的早期,pH值较低,硅酸盐岩风化迅速,SiO2不断形成,从原始海洋形成至38亿年前,经近2亿年,pH值不断增高,达5.0以上,开始有二价铁的氢氧化物沉积(因这时的大气为强还原环境,不会有三价铁的存在)韩吟文和马振东,2003

较高的pH值,为生命的出现创造了条件。38亿年前,地球上出现了生命,后来又出现了消耗CO2,光合不放氧的生物Nutman, et. al., 2001; 张均,199835亿年前,地球上出现了能进行光合作用的绿色植物张均,1998; Schopf, 1993; Tice and Lowe, 2004

在大量的绿色植物强烈的光合作用下,若地球的去气作用产生的CO2小于绿色植物的光合作用消耗的CO2,则大气中CO2浓度不断减少,CO2造成的降pH值作用将小于硅酸盐岩风化和SiO2沉积造成的升pH值作用。这样,pH值将不断升高。

pH值升至一定程度,将造成碳酸盐的沉积。碳酸盐的沉积,将大量释放H+,具有强烈的降pH值作用。这样,地球排气作用的降pH值作用和碳酸盐形成的降pH值作用一道,与硅酸盐岩风化形成SiO2沉积的升pH值作用,和光合作用消耗CO2的升pH值作用相等,CO2平衡体系和SiO2平衡体系,将重新建立平衡。

总的来讲,地球去气作用产生的CO2HClHFSO2H2S等酸性气体溶于海洋,造成pH值降低pH>pHCO2时,是CO2起主要作用,pH< pHCO2时,是HClHF等其它酸性气体起主要作用)。低pH值,造成地壳的硅酸盐岩风化加强和SiO2的形成,使pH值上升,完成CO2转化为HCO3-的过程。植物的光合作用,使pH值进一步升高,超过碳酸盐的沉淀值,造成大量的碳酸盐沉积。碳酸盐的沉积,又使pH值恢复至正常值。

在地球演化的各个时期,地球上的活生物量相当少,通过光合作用形成这些生物量,所消耗的CO2也比较少。但是,从地球形成至今,已合成并沉积了大量的矿物有机碳,这将消耗大量的CO2Falkowski, et. al., 2000。地球上大量的碳酸盐岩的形成,主要是由于通过光合作用,形成这些矿物有机物时形成的。那么,这些矿物有机物到底有多少呢?它们能消耗多少CO2?且听下回分解。

未完,待续。

下回预告地球科学原理之30  有机碳沉积的作用

参考文献:

陈福. 酸性含矿热液的成因及成矿演化模式. 地质地球化学, 2000, 28(1): 48-52

陈福, 王中刚, 朱笑青. 自然界酸性溶液的形成和向成矿溶液演化机理-表生循环水向成矿溶液演变机理之(), 矿物学报, 1997, 17(4): 399-411

韩吟文,马振东. 地球化学.北京:地质出版社. 2003. 303-370

张均. 生物进化. 北京:北京大学出版社. 1998. 41-99

Falkowski P et al. The global carbon cycle: A test of our knowledge of earth as a system. Science. 2000,290:291-296

Krauskopf K. B., Bird D. K. ed. Introduction to geochemistry. (3 ed.) New York: McGraw-Hill. 1995. 0-647

Nutman A. P., Friend C. R. L., Bennett V. C. Review of the oldest (4400-3600 Ma) geological and mineralogical record; glimpses of the beginning. Episodes, 2001, 24: 93-101

Schopf J. W. Microfossils of the early Archean Apex Chert; new evidence of the antiquity of life. Science, 1993, 260: 640-646

Tice M. M. Lowe D. R. Photosynthetic microbial mats in the 3,416-Myr-old ocean. Nature, 2004 431: 549-552

White D. E., Waring G. A. Volcanic emanations, Chapter K. Data of geochemistry, 6th edition. U. S. Geological Survey Professional Paper. 1963: K1-K27

 

(注:本“地球科学原理”系列,是根据廖永岩著,海洋出版社(20075月)出版的《地球科学原理》一书改编而来,转载者请署明出处,请不要用于商业用途

 



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