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关键元素是如何在地球上漫衍和循环的?

本文摘要:本文节选自美国国家研究理事会(NRC)公布的《时域地球——美国国家科学基金会地球科学十年愿景(2020-2030)》(A Vision or NSF Earth Sciences 2020-2030: Earth in Time)第3个科学优先问题。地球上现在已知有凌驾5000种矿物,而且另有许多尚未被发现的矿物,这些矿物蕴藏着地球的化学多样性和演化历史等信息。 关键元素赋存于这些矿物以及相关的熔体和流体中,并随之发生迁移。

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本文节选自美国国家研究理事会(NRC)公布的《时域地球——美国国家科学基金会地球科学十年愿景(2020-2030)》(A Vision or NSF Earth Sciences 2020-2030: Earth in Time)第3个科学优先问题。地球上现在已知有凌驾5000种矿物,而且另有许多尚未被发现的矿物,这些矿物蕴藏着地球的化学多样性和演化历史等信息。

关键元素赋存于这些矿物以及相关的熔体和流体中,并随之发生迁移。所谓关键元素,是指对地质历程至关重要的元素,其为生物运动缔造适宜的条件,为现代社会的运转、繁荣和宁静提供须要的原质料,为低碳或无碳能源作出孝敬,并广泛用于电子行业、国防、医药业和先进制造业(见表2-1)。这些关键元素通过某些地质历程集中漫衍于地球上的特定区域,而地质学家的事情正是通过全球尺度的分析明白这些地质历程。关键元素在地球最外层的、刚性的岩石圈(包罗陆壳和洋壳以及下伏地幔)中的漫衍是由漫长的地质历史时期中地球内部和表生情况之间元素循环历程决议的。

地质历史上关键元素强烈的再分配与矿物和生物多样性的发作、大氧化事件、海洋缺氧事件,以及相关的大气身分的变化密切相关,并影响着气候和生命的演化历史。组成地壳和地幔,并影响生物圈和大气层的矿物在地球形成历程中履历了初始物质的增生,并偶有彗星物质的加入(Hirschmann,2016)。

这些组成地球的物质在不停分异、形成地壳、到场生命和板块的配合演化(Cox等,2018),以及在大型陨石撞击和火山发作等灾难性事件的影响下进一步发生改变。现在正在举行的地质历程,如熔化、再结晶、变质、热液运动以及气体的释放或封存等,都继续对关键元素再分配发生影响。而一些地球化学元素就可以用来有效示踪现代和古代元素循环历程(见表2-1)。

表2-1关键元素举例及其意义表生历程也是整个地球元素循环的重要组成部门,其与地球深部化学和物理机制在种种空间和时间尺度上相互作用。因此明白关键元素的漫衍意味着绘制出从地心到云层的全球运移系统的细节(见图2-5)。碳、氢、铁、氮、氧、磷和硫是缔造宜居世界的生物关键元素。

以后若干年内,地球科学家将在明白全球氢和碳循环最新希望(Orcutt et al.,2019)的基础上,进一步明白地球深部硫、磷、氮和其他元素循环是如何举行的,以及变质-岩浆系统中氟、氯等卤素和其他元素是如何分配到熔体和流体中的(Farquhar和Jackson,2016;Dalou等,2017;Hanyu等,2019;Smit等,2019)。图2-5 挥发份和不相容元素强烈分配进入熔体,形成熔体和流体的全球运移系统,从而将关键元素在海洋到地核尺度举行富集、分馏和迁移。

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因此,有须要开展跨学科互助以阐明地球化学储库是如何以及为何会在一个发生地幔对流的行星上举行。丰满的地幔上涌在浅部履历挥发份引起的部门熔融以及减压部门熔融,在洋中脊形成玄武质地壳(红色阴影区域)。洋中脊岩浆在身分上差别于富集的洋岛玄武岩(黄色阴影区域),后者可能与核幔界限的大型低剪切波速省(LLSVPs)有关。

地震学方法展现这些大型低剪切波速省可能存在含有部门熔融熔体的超低速带(ULVZs,紫色区域)。在洋中脊四周伴生的热液系统向大洋岩石圈注入挥发物和其他元素,并向海水添加经由分馏的金属和稀土元素,而这些金属和稀土元素可能沉淀并富集于具有经济价值的海底锰结核中。在聚合板块界限的挠曲处,大洋岩石圈发生水化作用,如沿着深大断裂发生蛇纹石化(绿色实线)。这些蛇纹岩,连同沉积物(粉红色区域)和含水的洋壳,将水、碳和其他挥发份、碱金属元素带入地幔,形成了富水的熔融区域,并形成熔体供应火山弧和岩浆侵位(橙色阴影区域),而这些岩浆往往与地壳中的交接和热液系统有关,许多稀有金属元素就这一历程中富集。

一些挥发物质可随板片俯冲深达大于300公里的地幔,这一区域被称为“地幔过渡带”(蓝色阴影区域),介于410和660 km地震波速不一连面之间,具有比上地幔和下地幔更高储水能力。过渡带的上方和下方可发生脱水熔融作用,因此可充当地幔对流的化学过滤器。来自岩石圈地幔和大于300公里的深部地幔的金刚石(后者称为超深金刚石)及其包裹体则包罗了全地幔关键元素循环的地球化学特征信息。现代社会质料和能源(如低碳能源)所需要的关键金属包罗钴、锂和稀土元素(REEs),以及贵金属、锰、钛、铀、钒、铪和锌等(见表2-1)。

可用来示踪地壳和地幔之间循环历程的元素,除了稀土元素和其他元素以外,还包罗硼、卤素和惰性气体(Smith等,2018)。关键元素及其化合物(如水)显著影响了地球物质的物理性质,如熔融温度、强度、流变性和地震速度。

铁、硫和碳等变价元素控制着地幔和地壳的氧化还原状态(Evans等,2017;Cline等,2018)。关键元素在地壳和地幔差别位置的品貌差异很大,但许多低品貌元素对地质历程和地球物质的物理性质有着不成比例的庞大影响。一些元素强烈的分配进入流体和熔体,这些流体和熔体在差别尺度的通道中发生运移,包罗流体或熔体在岩石中流动历程中形成的庞大矿物颗粒界限和结构网络(见图2-6)。

矿物及其陪同的熔流体是地球深部与地表之间的动态联系,在地球深部形成的矿物为大气、海洋和地表的演化提供了线索。例如,已发现一些超深部泉源的金刚石中含有富水矿物(Pearson等,2014)、水冰的痕迹(Tschauner等,2018),以及在地球外貌或近地表发生的生物成因碳酸盐(Li等,2019b)。只管地球内部存在循环历程,但仍保留着主要的化学不均一性,并可用先进的地震学方法对其举行成像(Wang等,2019年)。

例如,一些深源岩浆中含有自地核分散之后就已经被隔离的氢和氦(Loewen等,2019)。在这个充满活力的地球上,许多恒久存在的化学储库仍然没有获得充实的解释。科学家才刚刚开始相识一些催化地球上最重要的化学反映历程的知识,并将其纳入模拟地球内部历程的动力学模型(Li等,2019a)。

例如,对差别地壳和地幔区域的氧化还原状态控制因素的明白是行星演化研究的焦点。在其他效应中,铁控制的地核分散和地幔氧化的氧化还原反映决议了大气层的组成(Armstrong等,2019年)。

地热、水文、地质生物和地球化学历程在地表下层和大气层接壤处的相互作用将需要更庞大的、多组分反映传输模型(如Li等,2017)。图2-6 在模拟地幔熔融的高温实验中,富集熔体的通道(深蓝色区域)四周的铁浓度变化。

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晶体为橄榄石。在富集熔体的通道周围存在一反映层(浅蓝色)。

诸如此类的实验效果为我们相识熔体-矿物反映是如作甚富集挥发份和不相容元素的熔-流体开发通道的提供了定量解释,而这对于明白熔-流体分异和从源区到地壳侵位或喷出地表的运输历程至关重要。资料泉源:修改自Pec等(2017)。得益于实验和联合热力学模拟的盘算方法、地质样品的高精度微观分析以及地球物理观察的技术进步,地质学家们即将对矿物和流体如何从原子尺度到行星尺度的关键元素反映、循环和再漫衍历程提出新的认识(见图2-7)。

例如,我们现在已经可以开始明白地壳的形成和演化以及大型岩体侵位的基本机制和时间尺度,以及这些历程如何改变气候(Lee等,2017年),影响差别地质历史时期具有经济价值的元素的漫衍,并最终决议了地表的宜居性。图 2-7 关键元素的再漫衍和循环历程在差别地质历史时期从原子到星球尺度均在举行。(A)原子探针层析成像技术用于纳米地质年月学并绘制了在一颗44亿年的锆石晶体中扩散了数十亿年的单个铅原子(Valley等,2014年)。(B) 最近发现并命名为goldschmidtite矿物,为绿色的稀土元素矿物(KNbO3),直径约0.2毫米,以包裹体的形式产出于金刚石内,指示了地幔交接作用与碳循环的联系性(Meyer等,2019)。

(C)来自土耳其的一个强烈变形的蓝片岩(视域~2厘米)的显微照片,显示了在正交偏光下的含水钙铝硅酸盐硬柱石,为鲜艳的柱状晶体。硬柱石是在俯冲带地壳和地幔之间沉积物和水的循环历程中发生的重要矿物。(D) 在区域和地幔尺度上,地震波形成像展现出负散射异常,表示壳-幔循环历程中身分和岩性的不均一性。资料泉源。

A-图像由John W. Valley提供;B-图像由Nicole A. Meyer提供;C-图像由Donna L. Whitney提供;D-Wang等(2019)。由于关键元素的界说宽泛,包罗了现代社会宁静、繁荣和康健以及低碳到无碳能源所需的质料,以及地球内部和地表之间的挥发性循环等时间和空间尺度跨度较大的行星历程所涉及的物质(见表2-1),因此需要广泛的基础设施和互助关系来优化研究时机。

需要美国能源部(DOE)的同步辐射设备举行高度专业化的地球化学分析并丈量地球物质在种种物理条件下的物理和机械性能,包罗差别的压力、温度、氧逸度和应变率等(Dera和Weidner,2016年)。迅速生长的方法可将地球年月学与岩石学和地球化学联系起来的(Rubatto,2002;Kohn等,2017年),以及最新一代的微米和纳米尺度分析方法,为确定矿物从深部形成到袒露于地表所履历的压力-温度-流体-变形演化历史提供了时机。需要建设网络基础设施来增强数据科学的培训和研究,开发地球化学和热力学数据库,并建立网络分析和机械学习的新途径,以搜索矿物和生物地球化学演化的时间和年事模式(Hazen等,2019)。新型互助同伴关系,涉及新型动态压缩方法(美国能源部,DOE)、关键矿物相关项目(美国地质观察局,USGS)、地球科学部(EAR)焦点学科项目以及地球观察组织其他部门(如海洋领域历程的OCE),联合仪器和设备项目提供的基础设施,将在促进关键元素研究方面起到极其重要的促进作用。


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