地球系统的物理化学环境与形成物

1.自然物质混杂系统及其物理化学条件

地球及其各层圈和地质体的化学组成、元素的空间分布具明显的不均匀性,同时元素所处的物理化学条件如元素组成、温度、压力和应力场等也具有千变万化的多样性,因此根据化学热力学理论可以把地球划分为尺度不等的热力学系统,称为地球物质能量系统。地球在宏观上具有时空多层次系统结构,并存在多阶段叠加演化的特征。

地球系统中元素之间的相互作用与人为控制的化学反应存在显著差异,这是由于自然体系的组成和物理化学条件不是人为设定的,而是由诸多宏观因素约束自发形成的。化学元素在地球系统内的行为习性与地球所处的物理化学条件密切相关,而在地球以外的环境中,如在陨石或其他天体上,元素的化学行为和状态将是完全不同的情景。地壳和地球范围内的自然体系条件和自然过程有以下特点:

1)温度、压力等变化幅度与实验室条件相比是有限的,有限的物理化学条件限制了自然化合物的种类。如地壳和上地幔的温度变化幅度为-80～1800℃,压力由百分之几帕至10¹⁰Pa (十万大气压)。现代实验条件可以从接近绝对零度(0.00001K)到超高温50000℃ (等离子火焰),以至到 10 000 000℃ (聚核反应);压力条件可由真空到 1.2× 10¹¹ Pa。

2)多组分的复杂体系。自然作用体系中大量化学组分共存,可看成多种类物质混杂的系统,各种组分浓度相差悬殊。任意一个地球化学系统都可以看成是由 90 种元素和354 种核素组成的,作用过程中元素以其各自的丰度来决定参加化学反应的量比,这与在实验室通常为高纯试剂的给定组分体系所实现的化学反应有显著区别。地壳、地球中阴/阳离子的总摩尔数不相等,阴离子总数远小于阳离子总数,这是自然化学反应体系原子比的基本特征。

3)地球化学体系是开放系统,自然过程具单向发展演化的特征。地球化学作用中体系与环境之间存在充分的物质和能量交换,由于外来成分加入不断改变系统内作用的性质和条件。因此,地球化学过程具有分阶段单向演化的特征。

4)地球化学过程是自发进行的不可逆过程。反应进行的方向、速率和限度受体系能量效应制约。由于作用的能源主要来自地球本身和太阳能,因此地球热量和太阳能的空间分布控制着地球化学过程进行的规模和强度。同时,由于自然体系为多相多组分体系,化学反应还受动力学因素制约,作用过程具有非平衡性和不彻底性,体系的能量效应为制约杠杆。

2.地球和地质作用产物特征

由于上述各方面因素的影响,使自然作用产物具有以下特点:

1)自然稳定相 (矿物和有机化合物)及各种流体相的总数有限。自然界的核素和元素种类很多,但其丰度差异悬殊,因此自然化合物和单质的种类有限。迄今所发现的矿物总数约有3000多种,矿物化合物大类只有7种,矿物总族数不过200种。而实验室中人工制取的无机化合物总数达30多万种。据统计生物细胞中存在的有机化合物为10万多种;自然界存在的动植物种数达200万种。而人工制取加自然产出的以碳骨架为基础的有机化合物总数达2000多万种。因此,地球的物理化学条件的有限范围约束了矿物的总数和种类,同时自然产出和人工合成的有机物数量又明显多于无机化合物。

2)元素形成自然分类组合。如果按阴离子分类,地壳中的矿物相只有含氧化合物、硫化物、卤化物、自然元素类和稀少的砷化物、硒化物、碲化物等类型的无机化合物,以及另一大类以碳氢骨干为基础的有机化合物。

3)与各种阴离子结合的阳离子也组成特征各异的共生元素组合。如 Cu、Pb、Zn 等主要形成硫化物组合;K、Na、Ca、Mg、Al、Si,以及 Nb、Ta、Zr、Hf、REE 等倾向形成硅酸盐和氧化物 (或含氧盐)组合;Au、Ag、Fe 和 Pt 族元素等易形成单质和金属互化物。

4)自然稳定相 (矿物)都不是纯的化合物,几乎每一种矿物都是一个成分复杂、含量有一定变化范围的混入物系列。这些混入物杂质在地球范围内大多数丰度不高,属微量或痕量存在的元素。

5)在地壳的物理化学条件下,相似的物质组成会使自然作用产物的类型重复出现。如不同的岩石大类和不同的矿床类型分别由各具特征的矿物组合构成,表现为矿物之间有规律的共生组合和重复形成的特征。

地球化学的任务是研究在地球等自然环境中原子间自发进行的化学反应的规律和自然产物的特征。地球的物理化学条件、元素在自然体系中的丰度以及原子的基本物理化学性质等决定了元素在自然界的结合和共生规律。习惯上称为元素的结合习性或元素的地球化学行为。