地球化学循环

地球化学循环（geochemical cycle），元素和化学物质在地球各圈层（大气圈、水圈、岩石圈、生物圈）及多种地球化学储积库之间，沿着一定的途径迁移活动和最后一部分物质回到初始状态的地球化学过程。又称地球化学旋回、物质全球循环、元素循环。

地球物质循环

地球物质循环即在地质作用中物质的循环，包括大循环和小循环。以硼循环为例（见图）。在大循环中，物质的迁移从深部岩浆结晶作用开始，经过地壳抬升和岩浆岩在地球表面的剥蚀、风化，及其产物的搬运和沉积形成沉积岩，再经盆地的构造沉降和成岩、固结作用，以至不断升级的变质作用，最后经过深熔及部分熔融，重新生成岩浆，也称内生循环（见图的圆形内环）。小循环的迁移路径见图上部：沉积岩中的硼不经过变质深熔等内生作用直接遭受风化、搬运及水、气、生物圈迁移后重回到沉积物状态，又称外生循环。

地球化学循环寓于地质作用过程之中，并受地质构造环境的控制。元素的地球化学循环主要研究在各种地质构造环境中元素的化学作用、元素的迁移、活化和沉淀富集的规律。通过对循环的研究可以了解地质构造条件对物质运动和元素迁移的制约关系，同时应用化学元素及其同位素的分布和组合的变化来揭示地质作用的性质，以认识地质构造活动机制。

板块构造与循环

20世纪70年代以来，板块构造理论深化了地质和地球化学循环的概念，完整地阐明了大规模地球物质循环演化的动力学机制，同时描绘了各种化学元素在不同环节中迁移活化和分散富集的现象，即元素地球化学循环与地质环境的关系。全球规模的板块构造运动是推动大规模地球物质循环最重要的动力因素；而在一定构造环境下物质的化学反应、对流作用和元素赋存状态的转化是地球化学循环研究的核心。在板块构造运动的框架下，可将地球化学大循环过程划分为三个阶段：

第一阶段：地幔物质的上升。地幔内部放射性热的积聚导致其局部熔融和热地幔柱的形成，在大洋的海岭带发生火山喷流，结晶形成年轻的玄武岩新地壳。在冷的海水与热的玄武岩之间的相互作用中，发生复杂的物质交换过程，形成赤铁矿、磁铁矿、碳酸盐类，以及钠长石、黏土等矿物。冷的海水对流向下进入到玄武质新地壳中被加热，使玄武岩中的铜、锰、铁、铬、镍、锌、银、金等金属活化，上升返回大洋–岩石界面，在海底沉积形成金属硫化物矿石。

第二阶段：深海沟消减带的地壳物质下沉。海底沉积物和被固定在蚀变洋壳中的化学物质及大气和水圈的组分沿着海沟消减带被带回到地幔中去，构成地球物质深循环。当下沉的地壳变得足够热时，脱水作用可能引起消减带物质和上部地幔熔化产生安山岩浆。上升的岩浆，把热量带到上部地壳，导致了大陆地壳局部熔融及花岗岩类岩浆的形成。花岗质岩浆上升，并推动水流体对流作用，伴随铜、锡、钨、钼和金等金属矿床的形成。

第三阶段：侵蚀作用。大陆的构造造山作用，形成了海拔较高地区并遭受侵蚀，物质呈碎屑、质点和溶液被带入海洋，形成新的沉积层。

循环的复杂性

1982年B.梅森指出，实际观察中地球物质的循环常常是不完整的或者是不连续的，它可能在某一个阶段无限期的停留，或者超越或者倒转。无论在物质质量方面还是能量方面地球化学循环都不是封闭的。它不断地接受来自深部的“原始”岩浆及其与岩浆一起带来的热能，还有来自宇宙空间的物质和能量。自地球形成以来，经历了多次地球物质的全球规模旋回式的构造运动；其结果循环的产物向异化方向发展：作用的性质和方式是循环的，但各时期形成的产物是单向演化的。由图可以看出，由于地球环境的复杂性，地球物质循环不是简单的周而复始，而是存在许多分支循环和次级循环；某一元素遵循哪一种循环模式取决于元素的地球化学性质和地质环境的物理化学条件。如对于非挥发性和形成难溶矿物的元素，其循环途径如图中圆形内环所示。形成易受化学风化和易溶矿物的元素，增加了水、气和生物体系的次级循环；图右侧表示挥发性元素特有的分支循环。

研究意义

追踪某一元素的地球化学循环历史，可以深入认识地球物质演化的规律，以及各种地质作用之间的相互关联转化的机理。现代地球化学积累并综合研究了大量在各种地质产物和作用体系中元素的组合、平均含量、同位素组成等系统资料，计算了全球及各体系的物质总量，以及在迁移转化中的平衡；提出了地球化学储积库、元素滞留时间、物质流通量等概念和一套量化计算方法。绘制了多种元素定量的全球地球化学循环图解——箱状模型；其中特别是对几种挥发性元素和对人类生存环境有重要影响的元素的表生循环资料最多（如碳循环、氧循环等）。研究地球化学循环对认识地质作用的性质、物质来源、全球物质交换平衡和演化、评价和治理环境污染，以及深化地球化学示踪理论和方法有重要意义。