高等地球化学考试题

《高等地球化学》考试题

一 论述现代地球化学领域的最新研究进展。

现代地球化学领域的最新研究进展主要有以下几个方面：

1 陨石冲击坑的发现和研究

在墨西哥的尤卡坦半岛上有一个叫做希克苏鲁伯的陨石坑（Chicxulub Crater），在这个陨石坑的地层中有一层白色岩石，这层岩石被地质学家称为K-T边界（K-T boundary），意思是白垩纪-第三纪界限的标记线。下层岩石中含有丰富的恐龙化石，但在K-T边界以上，恐龙消失了。

K-T边界岩石中含有铱，铱是一种稀有金属，在地球中的平均含量只有十亿分之一。然而这个岩层中的铱含量是正常含量的200倍。在该地层中为什么会有这么高的铱？于是有的科学家就联想到在太空中小行星铱含量比地球高出1千倍，这种物质来自天外的小行星撞击地球。人们还在这层白色岩石中找到了冲击石英的证据，只有小行星才会留下这样的标记。高含量的铱和冲击石英，出现在地球上许多地方的第三纪界限岩层里。这种全球性的痕迹，只可能来自最猛烈的撞击。撞击的地点就在现在墨西哥的犹卡坦半岛。

对于上述小行星撞击地球导致恐龙灭绝有人认为是不可能的。在地质演化史中，不能排除天外陨石的撞击，给地球局部位置带来毁灭性的灾难和生物的死亡，要是发生能造成全球所有的恐龙灭绝的撞击事件的话，那么地球上所有的动物同样遭到灭绝，为什么第三纪以来地球上的动物门类更多，数量更多，只是体积比恐龙的小了好多。要是地球表面被直径10km的小行星撞击，这个小行的密度按3克/立方厘米计算，它的质量是1.57×10的18次方克，地球的表面积是5.1×10的18次方平方厘米，把这个陨石的质量均匀的分布在地球表面：每平方厘米只有0.31克，即厚度相当于1毫米，但是在地球上许多地方的第三纪界限岩层里出现含铱高，这些高含铱的地层厚度远远大于1毫米。在地球上这种地层有的地方厚度达几十厘米，因此这些地层中含的铱不可能是天外小行星撞击地球带来的。即便是撞击事件形成富含铱的物质不可能均匀的分布在全球各地。这种富含铱的地层是怎么形成的。

有的学者认为在地质演化史中固态岩石圈是个动态的概念，随着地球不断地向宇宙中散失热量，固体岩石圈越来越厚。固体对密闭液体（软流层）的压强遵循帕斯卡液压定律，只有位于固体岩石圈与液态岩浆接触面上的岩浆流体才能向上侵入。在自然界所有的元素中单质密度最大的元素是锇、铱两种元素，其密度是23克/立方厘米，(黄金是19克/立方厘米 )，在地球形成之后，密度最大的铱元素受重力分异，沉淀到最深部位形成富含铱的岩浆圈层。当岩石圈冷却向下延伸到深部富含铱元的岩浆圈层时，富含铱的流体向外迁移到地球海水盆地或糊泊中沉积形成白垩纪与第三纪之间富含铱的地层 。由于铱的单质密度最大，在地球内部存在的圈层最深，因此在地质演化史中大量出现的时代最晚。

在水中含有大量的铱对恐龙的遗传基因是否可以改变，促使恐龙大量灭绝是值得探讨的问题。地球上生物的有机体是元素创造的，这些元素一定是能在海水中溶解或者是空气的组成部分，这样的元素就有自由度，通过相互化合形成适合环境的新物质。地球内部化学圈层导致了不同地质时代海水中溶解的元素成分发生变化，这种新出现的元素可以改变水质成分，动植物吸收这些元素可以改变遗传基因，这种基因的改变有可能促进生物的进化，也有可能导致生物灭绝。地球上出现的大量生物灭绝与海洋中溶解的元素发生变化是否有关，是值得探讨研究的课题。

2 围绕CO2的讨论

地球内部的去气作用主要包括火山-岩浆作用，成岩作用-变质作用，以及冲击作用。

利用地质学、天文学、地球物理学、古生物学资料进行约束,对地球的去气作用进行研究发现:太阳系的部分冷物质,通过吸积作用形成早期地球.在碰撞动能转变的热能作用下,造成了早期地球的表面熔融.在熔融状态的高温高压作用下,构成地球表面物质的结晶水排出地表进入原始大气;在高温高压下分解的碳酸盐、硫酸盐、卤化物等产生的二氧化碳、硫化氢、二氧化硫、氯化氢、氟化氢等气体进入原始大气,和水蒸汽一道共同组成原始大气.当地球内部在重力势能和放射能的作用下继续熔融时,地球表面固化为原始岩石圈.后来,地球除表面岩石圈外,整个地球完全熔融.地球内部物质熔融形成的水和二氧化碳等气体,被岩

石圈圈闭.只有当冰川形成和消融,引起造海和造陆作用,导致火山喷发和地震时,这些气体才可能排出地表.这些气体的排出,受地球内部的熔融状态、冰川形成的位置(是在海洋或是在陆地)、生物的演化、太阳光的强度等因素的综合影响。

组成地球的冷星云物质，主要是硅酸盐岩，含有大量的结晶水。同时，还含有一定量的碳酸盐、硫酸盐、磷酸盐、硼酸盐和卤盐等。

当地球的表层物质开始熔融后，由于高温和高压的作用，物质的大量结晶水，以水蒸汽的形式，被释放入地球外层，形成大气圈，形成原始的大气层。同时，当熔融地球层的温度升至碳酸盐及其它易分解物质的熔点时，这些易分解物质将分解而产生大量的二氧化碳、二氧化硫、硫化氢、氯化氢、氟化氢等气体。这些气体和水蒸汽一道，共同组成了原始大气层。

因为地球熔融的早期，只是表层的物质熔融，所以，只是表层物质所含的水、二氧化碳等气体释放入大气圈。当地球逐渐向地心熔融时，地球外部的岩浆又已开始凝固了。凝固了的岩浆形成岩石圈，阻止了内部圈层熔融产生的水蒸汽、二氧化碳、氢等气体向大气圈的释放。

当然，这些被襟固在固体地壳内的气体，由于比重较轻，也会向地表运动。但由于地表地壳的封闭，它们不可能排出地表。这样，在压力、浮力和气体在不同岩浆里的溶解度等因素的共同影响下，出现了从岩石圈下至地核，不同深度分布不同的气体浓度。随着这些地内岩浆物质在压力的作用下的固化，这些气体，也就被暂时襟固在这些固体物质中了。只有当这些物质在压力降低熔融再转化为液体时，溶解在这些物质里的气体，才会释放出来。

岩石圈形成前排出的水和二氧化碳等气体的量的多少，决定原始海洋的规模。也即，若古老地壳形成之前排入大气层的水和二氧化碳等气体多的话，则形成的原始海洋规模大，海洋深且广；大气中的二氧化碳等气体浓度大。当然，因为刚形成的原始地壳，除少数外星体撞击造成的环形山外，很少有山脉，所以，只要有一定量的水，海洋将形成完整的水圈，也就是海洋将包围整个地壳，海洋中很少有陆地出露。

就现状来说，地球没有变成火星，也没有变成金星，还有智能生物存在。这说明，地球原始地壳形成前，地层的熔融厚度是介于这两个极限之间的。也就是说，原始地壳形成前，地球熔融的厚度导致的排出的水和二氧化碳等气体的量，

既不会使地球温室效应太强，形成超水凝聚点（假设是100℃，当然，由于当时大气压较高，温度肯定超过这个值）的热球；也不会使地球温室效应过低，形成低于凝固点（假设是0℃）的冷球。理论上说，由这两者的相关参数，及氢等宇宙气体构成的大气压，我们应可以算出原始地壳形成时地球熔融的大约厚度。

同时，若地球完全熔融后再凝固形成地壳的话，将造成地壳、地幔和地核的元素组成，呈现完全标准的梯度。也就是说，亲铁元素，将强烈地向地核运动。地壳将强烈地亏损这些元素。但是现在这些亲铁元素却在地壳内富积，这也证明，地球不是完全熔融后才形成原始地壳的。地球是在原始地壳形成后，再逐渐向地心熔融的。这样，若地球熔融刚开始就形成原始地壳，也就是原始地壳形成时，熔融的地球厚度不大。这时形成的地壳里的亲铁元素将会更多地保存在原始地壳中。若原始地壳形成时，地球熔融的厚度已经很大，这时，大量的亲铁元素将向地心转移，这时形成的原始地壳里，亲铁元素的含量，将会减少。所以，我们也可以根据地壳里亲铁元素的异常富集量，推算出原始地壳形成时地球熔融的厚度。当然，计算时，我们还得考虑由于造山运动造成的地幔和地壳之间的元素扰动，即地幔的亲铁元素向地壳的转移作用。

原始地壳形成后，地球仍有去气作用。由于地球外被岩石圈形式的外壳，壳内气体要能排出，只有在这个壳破裂或由于某种原因，造成负压腔才可能发生。

当地球的内部温度还比较高时，也就是说，地球除岩石圈外，地内全是液态时。两极或单极的冰川形成或消融，由于均衡调整作用，造成地球膨胀和收缩。冰川形成时，地球膨胀，地壳最容易破裂的地方，形成裂缝（如洋中脊）。地内压力突然降低，大量的地内气体就会向裂缝处汇集。这时形成的洋中脊，除喷发大量玄武岩岩浆外，还喷发大量的气体。

当冰川消融时，地球收缩，形成岛弧和地槽，在岛弧和地槽的形成过程中，会形成负压腔。大量气体向负压腔处汇集。岩石圈破裂时，大量的气体和岩浆被排出地表。所以，地球早期的火山喷发，不管是洋中脊处的玄武岩喷发，或是岛弧或地槽形成时的安山岩或花岗岩岩浆喷发，均比现在猛烈，喷发出的气体，也远比现在多。

当火山喷发结束后，岩石圈内液体岩浆里气体浓度将又会在气体在各种物质里的溶解度、气体浓度梯度和压力及浮力的综合作用下，重新分配。最终重新形