A2 · 出版卷 3

岩石循环与全球元素循环

岩浆、沉积、变质、风化和循环时间尺度

学习目标

完成本课后，你应能够把岩石循环理解为网络而非固定环路，区分物质状态与过程，把构造作用与水及元素循环联系起来，并写出尊重不同时间尺度的质量平衡模型。

火成岩、沉积岩和变质岩是按成因划分的岩石类别。火成岩由熔体结晶形成；沉积岩由颗粒、化学沉淀或生物物质沉积并成岩形成；变质岩由先存岩石在固态下受温度、压力、应力和反应性流体改造形成。

熟悉的三角形岩石循环只有在认真对待箭头时才有用。任何岩石都可走多条路径，并不存在必须顺时针运行的路线。花岗岩可风化成沉积物、直接熔融，或不经过沉积阶段就发生变质；变质岩可在不熔融的情况下折返、出露并侵蚀。有些物质在同一状态保存数十亿年，另一些颗粒则快速通过多个储库。

关键转变包括熔融、结晶、喷发、侵入、风化、侵蚀、搬运、沉积、埋藏、压实、胶结、变质、变形、折返和抬升。这些动词应取代“岩石变成另一种岩石”之类含糊说法；每个过程都有边界条件和特征产物。

构造作用重组整个网络。裂谷与俯冲产生岩浆；碰撞埋藏并变质地壳；抬升使岩石进入风化环境；盆地保存沉积物；俯冲把蚀变洋壳与沉积物带入地幔。地表气候和生命控制风化与沉积物生产，因此循环耦合了内部和外部能量系统。

水储存在海洋、冰、大气、湖泊、河流、地下水、矿物和孔隙中。太阳能与重力驱动大部分地表循环，渗透性和压力梯度控制地下流动。水与矿物反应、搬运溶质和颗粒，在俯冲带影响熔融，并促进变质反应。

通量跨越巨大的时间尺度：暴雨径流可在小时内变化，地下水停留可以长得多，进入矿物的水还能参与深部路径。若把这些都混称为一个不分尺度的“水循环”，就会隐藏真正控制储库。

碳在大气、海洋、生物、土壤、沉积物、碳酸盐岩和有机质岩石、岩浆及地幔之间移动。硅酸盐风化通过耦合反应消耗溶解二氧化碳，最终把碳转移到碳酸盐沉积；变质和火山作用又可把碳送回表层。反馈强度和方向取决于速率、面积、气候、侵蚀、生物和海洋化学。

其他元素具有不同亲和性和搬运机制。有些在风化时保留于抗风化矿物，有些溶解，有些吸附于铁氧化物或黏土，有些优先进入熔体或流体。“元素循环”不意味着每个原子都会访问每个储库，而是要求在已定义路径上追踪收支。

储库 i 中浓度为 C_i、质量为 M_i 时，元素库存为 I_i=C_iM_i。传输通量必须同时保持物质质量和浓度单位。简单保守两端元混合为：


C_m=\frac{M_1C_1+M_2C_2}{M_1+M_2}

反应、相分离与选择性搬运会破坏保守假设，需要增加项。

在全球尺度物质会被重复利用，但局部地质历史并非完美循环。板块构型改变，生物演化引入新过程，大气成分演变，具体矿物也会被彻底破坏。因此经常应画“随时间发展的网络”，而不是圆环。全球元素收支可近似封闭，局部系统却可能开放。

弧火山产生火山灰；风化释放溶解离子和黏土；河流把碎屑带入弧前盆地；埋藏使沉积物压实胶结；后期俯冲使部分地层变质，另一部分增生并抬升。

可能的档案包括锆石结晶年龄、碎屑颗粒年龄群、黏土矿物、稳定同位素、沉积构造和变质矿物组合。每项记录不同转变。锆石可穿越数次岩石循环，因此年龄远老于砂岩；胶结物同位素则可记录更晚的孔隙流体。

选择碳、硫、磷、铁或铀之一，为指定空间与时间边界绘制储库和通量。写出单位，识别外部输入输出，并标记会发生同位素分馏或氧化还原变化的过程。随后说明哪些观测可估算最大的三项通量。