广东海洋大学

廖永岩

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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HCl、HF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，2000；Krauskopf 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，1998）。35亿年前，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。

当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CO₂及HCl、HF、SO₂和H₂S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HCl、HF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CO₂（Falkowski, 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(二), 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（2007年5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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