地球物质的组成与元素的地球化学亲和性
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发布时间：2022-04-23 23:02
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时间：2023-05-27 06:00
现代地球科学在探索有关地球物质 (earth materials)的组成、状态和演化的学科领域中,形成了地球物质科学分支。地球物质组成和物质运动是认识地球的两大视角。
1.宇宙物质基本粒子统一性和物质的能量层次
现代自然科学观察和实验证明,宇宙万物在化学元素和基本粒子的种类上具有统一性,包括从微粒尘埃到天体的无机界和从单细胞到复杂的人体和有机物体系的一切物质存在,都是由107种 (在自然界存在的90种)化学元素及其同位素组成的。宇宙物质单位和组成的层次是,由基本粒子 (质子、中子、电子等)构成具有化学性质的原子,由多种原子化合形成具有一定成分和结构的分子 (如矿物和生物大分子化合物等),再由多种分子聚合形成具有一定的物理化学性质、能够适应某种自然条件,并能与环境进行物质和能量交换或成为具有生理活动功能的分子集团 (如矿物、岩石和地质体,以及生物细胞、生物体等)。地球上多种多样无机和有机物质的存在形态和运动规律都可以从其基本的构造单位——原子的结构、性质和所处的环境关系中找到依据。著名法国哲学家和数学家笛卡儿一生致力于寻求构成宇宙物质的最基本单位,并据以认识世界物质的运动规律,称之为“宇宙之砖”,原子可以认为是构成宇宙物质大厦的“砖”。
现代物质科学把宇宙间的一切物质根据其粒子组成、单位粒子大小,以及结合能量级别划分为多个层次,称为物质世界的层次化 (图2-1)。
图2-1表示物质结构的多层次性。构成物质的粒子可以从大分子到原子,再到夸克,其长度大小尺度由大分子的10-5～10-7 cm,到夸克的小于10-14 cm。图2-1右侧标示维系各尺度粒子所需要的能量,从大分子的0.1～neV,再到夸克的大于 100GeV,随着粒子长度尺寸的减小,维系粒子结构的能量越来越高。原子-分子尺度的粒子内部和它们之间的相互作用是化学和地球化学研究的重点,该尺度粒子的直径为10-8 cm,它们的维系能量为neV～100GeV。现代物理学把这种相互作用称为强相互作用以及电磁相互作用,设其作用强度为1;大分子之间和宏观物体间的相互作用为弱相互作用,如天体之间的作用称为引力作用,强度为10-19～10-39;而超强的粒子相互作用发生在原子核、质子和夸克内部和它们之间,如核爆炸及宇宙大爆炸。因此现代宇宙学认为宇宙最初是处于高能量状态,所有能量集中于一点上,然后产生大爆炸和宇宙膨胀与扩张作用。大爆炸理论认为,大约在大爆炸以后3 分钟开始形成原子核。
现代宇宙扩张和宇宙初始物质通过核聚变及核燃烧反应形成各种核素的理论,即大爆炸理论,很好地解释了地球核素的丰度规律。近代高能物理学进行的人工核反应试验和核爆炸过程研究,也证实了核聚变反应可以产生数以千计的各种放射性的和稳定的同位素。地球及天体形成以前,大约距今 137 亿年前,宇宙中发生的核聚变及元素形成反应可以看成是构成地球原始粒子的最早期结合作用,形成了核素丰度相差悬殊的分布特征 (详见第一章)。
图2-1 物质结构的层次
(据冯端,1998)
2.元素自然体系环境特征与元素的地球化学亲和性
自然物质体系中元素最普遍的结合方式是阳离子与阴离子之间的化合。由原子核丰度决定,按化学式计量比计算地球和地壳中阴、阳离子总摩尔数不相等,即:∑阴离子≪∑阳离子。这导致自然体系中阴、阳离子化合作用时处于一种竞争性环境 (competitive situation),即丰度差别导致地球化学过程中阳离子之间对阴离子形成“争夺”。自然界元素之间结合关系的建立与元素形成阳离子的能力和强度有关。元素形成阳离子的能力及其所显示的选择性,以及与某阴离子结合的特性被称为元素的地球化学亲和性,是控制自然界元素相互化合共生的基本规律。
元素形成阳离子的能力既与其本身性质和原子结构有关,也与元素所处体系的物理化学条件有关,体现在元素化合反应的能量效应上。
在地球整体系统中,经地质作用的全球演化,元素首先按照地球化学亲和性划分为四种凝固相和一个流体相 (图2-2),构成地球物质的初始分异和地球整体的分层结构。本章重点讨论元素地球化学亲和性的内在原因及其主要存在形式。
图2-2 元素地球化学亲和性与地球物质初始分异
