第十三章 元素地球化学循环

1.06
Au
0.98
1.13
Tl
1.17
1.20
Th
1.05
1.15
资料来源：Drever 等（1988）。
离子或
化合物
Na + K+ Mg2+ Ca 2 + Cl − SO24− HCO 3− H 4SiO4
表 15-2 海水中主要元素的输入和输出通量（单位：1012mol/a）
河流输入
孔隙水埋藏
（钙长石）
（滑石）
M ig Ciig
=
M sed (0.702Csih
+
0.108C
i ss
+
0.122C
i cc
+
0.02Ceiv
+
0.024C
i op
+
0.024Coic )
+
M sw Csiw
（15-3）
由于 M sed = M ig /0.88 =（2.5±0.4）×1024g，且 M sw =0.56 M sed ，所以
和
HCO
− 3
等离子被释放（输出）。④矿物的化学沉淀作用，这是从海洋中输出元素的主要过程，
每年的输出量可达 44.56×1012mol。
名称 Be F Na Mg Al Si P K Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge Rb Sr
表 15-1 火成岩风化和沉积过程中化学元素质量平衡计算结果
分别计算公式 15.4 两边，然后比较计算结果。假如该公式的右边用 Cs 表示，则最完全的平衡
应该是
Cs = 1.00 0.88Cig
然而，由于元素浓度和各储库的质量分数都是估计值，存在误差，因此通常认为上式的 比值范围在 0.80~1.30 之间即可代表体系达到平衡（Drever et al.，1988）。例如 Mg 的计算结果 表明，Mg 在风化沉积过程中达到了平衡（Faure，1998），其
使部分元素脱离海洋。以这种方式从海洋中输出的离子总量约为 2.22×1012mol（表 15-2）。②
离子交换和水/岩反应，可以使 3.43×1012mol 离子输出海洋。③成岩作用，表现为沉积物中矿
物颗粒和圈闭的海水之间的相互作用，结果使得 K + 、Mg 2+ 等元素被消耗（输出），Na + 、Ca 2+
物、沉积岩和海水）中这些元素堆积的量相等，这一平衡关系可用下式表示（Drever et al.，1988）：
∑ M igCiig = M sed a jCsied + M sw Csiw
（15-2）
其中
M
ig
为陆壳中已风化火成岩的质量，C
i ig
为陆壳火成岩中元素
i
的平均含量，
M
sed
为沉积
物和沉积岩总量，C
净输入
+5.9±2.4 +0.05±6 +1.9±1.7 +4.5±4.9 +2.2±0.7
+2.4 +11.6±7.8 -0.5±0.09
将海洋中各个主要元素的河流输入量减去输出量可得到其平衡量（表 15-2）。海洋中 Na +
的年输入量为 5.91×1012mol，在埋藏和交换过程中 Na + 从海洋中输出。然而，在成岩作用中
0.88C
i ig
= 0.702Csih
+
0.108C
i ss
+
0.122Ccic
+
0.02C
i ev
+
0.024C
i op
+
0.024C
i oc
+
0.56C
i sw
（15-4）
如果已知各类岩石的化学组成，就可以通过公式 15.4 计算得到海水的平均化学组成，同
时还可以利用该公式来估计风化沉积过程中个别元素的地球化学平衡问题。具体的方法是先
的，即储库中物质在单位时间内输入的量和输出的量相等，那么该储库中元素 x 的平均停留
时间（停留时间 t）只和储库中该元素总量（Ax）呈正比，而和该元素输入或输出的速率（单
位时间内的输入量 dx/dt）呈反比（Faure，1998）： t = Ax dx / dt
（15-1）
根据公式 15.1，现在已经计算得到了各种元素在大气圈和海洋等准稳定态体系中的居留
i sed
为沉积物和沉积岩中元素
i
的浓度，M
sw
为海水的质量，Csiw
为海水中
元素的浓度， a j 为各类沉积物和沉积岩的质量分数。
据估计 M sed 的总质量为（2.5±0.4）×1024g （Li，1972）， M ig 为 0.88 M sed （Li，1972），
M sw 为 1.4×1024g （Sverdrup et al.，1942）。此外，各类沉积岩所占的比例约为页岩:砂岩:碳
视研究对象而定。例如，在研究元素的全球地球化学循环时，岩石圈通常被视为一个独立的
储库；而在研究岩石圈内部元素的地球化学循环时，不同类型的岩石又被作为不同的储库来
处理（图 15-1）。
物质交换是地球化学储库的最显著特征，布罗克和彭（Broecker and Peng，1982）曾经提
出箱式模型来描述这种特征。按照这种模型，储库可被视为具有一定容量的箱子，物质不断
地输入箱内或从箱子中输出。如果在单位时间内箱内各种物质的量保持恒定，也就是说物质
输入的量与输出的量相等，则该体系可被描写为稳态（Steady State）体系，又称地球化学平衡
体系。有了这种箱式模型，就可以方便地计算各个储库之间物质迁移的量。
物质的停留时间（residence time）是地球化学储库的另一重要特征。如果一个储库是稳态
第十三章 元素地球化学循环
地球化学循环（Cycling）对化学元素在地球各个系统中的分布、迁移、集中和分散的规 律进行定量的描述，是地球化学研究的核心内容之一。地球化学系统由若干储库以及连结储 库的物质循环通道所组成，化学元素在储库中的通量和居留时间取决于元素自身的地球化学 性质。因此，每一个元素都会构成特征的地球化学循环。在特定的条件下，如果储库的化学 组成和其它性质不随时间改变，且储库中物质流进与流出的通量相等，这样的体系被称为稳 定态系统（Steady State）或被称为地球化学平衡体系。稳定态系统对于地球化学循环研究具有 特别重要的意义。
平衡元素
不平衡元素
平衡比
ห้องสมุดไป่ตู้
名称
平衡比
名称
平衡比
1.26
Y
1.05
Li
2.12
1.24
Zr
1.07
B
11.9
0.84
Nb
0.81
S
16.5
1.02
Pd
1.00
Cl
151
0.91
Ag
0.92
Ca
2.1
0.94
Cd
1.29
As
6.1
0.81
In
0.91
Se
10.1
0.96
Ba
1.02
Br
12.7
0.81
La
——— ——— -0.42±0.16 ———
+2.5±1.7 -0.9±0.5 -2.3±1.6 +3.6±3.0
——— ——— +4.7±4.0 ———
——— ——— -0.26±0.02 -12.5±1.8 ——— -0.60±? -24.2±3.6 -7.0±0.09
注：+号表示输入，-号表示输出。资料据 Drever 等（1988）。
对 61 个常量和微量元素的质量平衡计算结果列在表 15-1 中。从中可见有 43 个元素达到 质量平衡。在 18 个未达到平衡的元素中，Cl 的平衡比值高达 151，表明海洋和沉积岩中存在 的 Cl 远远高于通过大陆火成岩风化而释放的 Cl 的总量。
三、海洋中主要元素的质量平衡
海洋在物质的地球化学循环过程中起着十分重要的作用，海洋中化学元素的输入和输出 是否达到平衡的问题一直是人们关注的课题，这个问题可以通过质量平衡原理加以解决。海
离子交换
成岩反应
化学沉积
+5.91 +1.17 +4.85 +12.36 +3.27 +3.07 +32.09 +6.47
-0.96±0.64 -0.02±0.01 -0.09±0.04 -0.02±0.01 -1.07±0.71 -0.06±0.04
——— ———
-1.53±0.06 -0.20±0.08 -0.32±0.08 -0.96±0.10
近年来，元素地球化学循环理论发展较快，人们几乎可以对每一种元素的地球化学循环 进行不同程度的描述。本章将选择元素碳进行比较详细的地球化学循环讨论，然后对元素氮 和水的地球化学循环问题作简单讨论。
一、地球化学储库
第一节 地球化学平衡体系
为了从全球角度讨论化学元素在地表的迁移和聚集规律，福尔（Faure，1998）曾把地球 表面比喻为一个巨大的不停运转的地球化学机器（geochemical machine），这台机器由不同体 积的储库（reservoirs）以及连接这些储库的通道（pipes）所组成。在这台机器的作用下化学 元素连续地从一个储库迁移到另一个储库并最终回到原来的出发地，完成一次地球化学循环。 以经典的岩石圈内部元素地球化学循环为例（图 15-1），火成岩中的化学元素经过物理风化和 化学风化成为沉积物或可溶离子而进入海洋，沉积物经埋藏沉积作用形成沉积岩，沉积岩经 变质作用成为变质岩，再经重熔作用形成火成岩，原来从火成岩中输出的化学元素经过这样 的岩石循环又返回到火成岩中。
有相当部分的 Na + 输入到海洋，使得海洋中 Na + 的输入和输出的和约为＋(5.9±2.4)×1012mol/
年。显然，每年有多余的 Na + 进入海洋。如果输入和输出值的估计是正确的，那就意味着现
在的海洋对于 Na + 而言不是稳定态，即海洋中 Na + 的浓度是逐年增加的。与 Na + 情况相似的
洋中主要元素的输入主要依靠河流，河流将大陆风化的产物包括固体颗粒和可溶离子带进海
洋。每年河流将 69.19×1012mol 的可溶离子输入海洋（见表 15-2）。虽然海水和洋中脊玄武岩
的交换以及海水和悬浮物的交换作用也能将部分离子带入海洋，但和河流的输入量相比是微
不足道的。
海洋中主要元素的输出有 4 种途径：①孔隙水埋藏。海水随同沉积物被埋入海底，从而
时间。
二、质量平衡原理
为了确定某个地球化学体系是否达到平衡，最常用的方法是对该体系进行元素质量平衡
计算，如果计算表明在单位时间内体系中元素的输入量和输出量相等，则称该体系处在质量
平衡（mass balance）状态，或者称该体系为稳定态体系。以火成岩的物理风化和化学风化为 例，如果这一过程达到质量平衡，那么由火成岩分化释放的元素总量应该和风化产物（沉积
酸盐岩:蒸发岩=74:11:15:2，因此得出其质量分数分别为 ash （页岩）=0.72:147， aev （蒸发
岩）=0.020（Garrels and Mackenzie，1971）。如果再把深海软泥（op）和海洋碳酸盐（oc）从
页岩（sh）和碳酸盐岩（cc）中单列出来计算（ aop =0.024， aoc =0.024），则公式 15.2 可写成：
Cs = 1.645 = 0.96 0.88Cig 1.716
该比值说明由大陆火成岩风化释放的 Mg 一部分溶解在海水中，其余的基本上都沉积在海 洋沉积物和各类沉积岩中。
Ca 的平衡计算结果和 Mg 截然不同（Faure，1998），其
Cs = 7.06 = 2.3 0.88Cig 3.088
这表明大陆沉积岩和沉积物以及海洋中存在着过量的 Ca。这些过量 Ca 或者可能来自于火 山沉积岩的淋溶作用（Garrels and Mackenzie，1971），或者可能与洋中脊玄武岩的交代作用有 关，因为 Na 和 Mg 的交代使玄武岩中的 Ca 释放进海洋（Wolery and Sleep，1976；Edmond et al.，1979）。
还有
Ca
2+
、
Cl
−
、
HCO
− 3
、
SO
2− 4
和
Mg
2+
，仅
K
+
和
H
4SiO
4
似乎达到了平衡。
值得一提的是上述平衡计算并没有考虑海水与洋中脊玄武岩的相互作用。Drever 等（1988）
的研究表明，这些作用包括钙长石被滑石交代：
6Mg 2+ + 4CaAl2Si 2O4 + 4H 2O → 2Mg3Si 4O10 (OH)2 + 4Al2O3 + 4Ca 2+ + 4H + （15-5）
1.01
Mo
2.34
0.87
Ce
1.13
Sn
2.44
0.88
Nd
1.24
Sb
2.68
1.18
Sm
0.97
Te
10.4
1.27
Eu
1.25
I
7.52
0.94
Tb
1.00
Cs
1.79
0.90
Yb
1.11
Hg
15.1
1.24
Hf
1.02
Pb
1.55
1.02
Ta
0.99
Bi
8.5
1.25
W
1.26
U
1.47
图 15-1 岩石圈内部元素地球化学循环示意图 （箭头示元素迁移方向）
在研究元素地球化学循环过程中，储库的划分和确定显得十分的重要。储库应该是物质
状态相同和化学成分均匀的体系，并且具有明显的地球化学界面，储库之间的界面也是元素
迁移过程中的化学反应面。海洋和大气圈都是地球化学储库的典型例子。储库的划分有时要