氟的地质循环
氟的地质循环?
如果将下地壳和上地幔作为讨论问题的起点，可以知道，处于高温高压条件的岩层被熔融，其中的氟以岩浆为载体不断流动，在地壳的薄弱处侵入围岩或沿着深大断裂进入上地壳，甚至喷出地表形成火山，将含氟物质带到地表。在岩浆上侵过程中存在着剧烈而复杂的物理、化学过程，随着温度、压力的下降，一部分氟与其他元素直接化合形成富氟矿物，另一部分可在岩浆侵入时，或在岩浆分异而形成的热液中与围岩的非氟矿物进行交代，使矿物的含氟量剧增；在许多情况下，热液还可能与表生水混合，形成热水上涌出露地表；热液的进一步分异，则会有气体脱出，使氟以气体形式（如 HF 和SiF4）上升到地球浅部或沿深大断裂进入大气中。除上述活动之外，岩层断裂和褶皱的发生也促使深层岩层中的氟向地球表生环境运动，断块的隆升和岩层的褶皱可将地下深处的岩层连同固化的氟推挤到地球浅表。
在含氟物质从地球深部环境向浅表环境运动的同时，地球的另外一些地方则发生含氟物质从地球表生环境向深部环境的反向运动。汇集到海洋中的陆源物质包括含氟的矿物碎屑、土壤以及溶解态的氟，可沿大洋板块边缘进入地壳深部，沉积在陆地的含氟岩土亦可在板内断裂带随下降盘进入地下。
由此可见，内动力作用是驱动氟由深部上升到地球浅表，以及由浅表回到地球深部的主要原因。正是这种运动决定了地壳氟的分布以及各地的氟背景值。
进入地球浅表的氟物质不会立即返回地下，而是经历一个较长的也许是更为复杂的分散、迁移和暂时富集的外动力地质过程。也就是说，只有通过地球表生环境的连接，地球氟物质的大循环才可以形成。
地球表生环境是一个笼统、相对的概念。一般来说，地球表生环境是指外生水运动、赋存空间的下界至地表这一范围。该范围是地球四大圈层代表的四大要素即岩（土）、水、气、生物最为活跃，彼此相互作用、相互联系最紧密的空间。在地球表生环境中，氟迁移有其宏观的指向，这就是从大陆的高处指向海洋。如果进一步分析就会发现，其中还存在着更多级次不等的复杂过程，如水分运动形成的局部氟循环，水-岩（土）之间的氟交换，通过食物链实现的生物（包括人）与含氟水土之间的生物化学循环等。值得注意的是，无论是宏观循环还是局部的小循环，氟的运动大部分都是以水分（流）为载体的，这就是为什么在讨论氟迁移和地氟病的机理时，往往将水的运动过程作为研究主线的原因。
自然界中的氟循环，是指氟在岩石圈、水圈、大气圈和生物圈之间的循环，以简单氟离子、氟化物、氟配合物等形式相互转化迁移的过程。岩石中的氟在风化、侵蚀以及人类活动等作用下被释放出来，进入土壤、水、大气中，经由植物、草食动物和肉食动物等在生物之间流动，待生物死亡后被微生物分解，回到自然环境中。大气中的氟可被动植物吸收后分解返回自然，或随降水进入岩土及地下水中。溶解性的氟，随水流进入江河湖海，并沉积在海底，可沿大洋板块边缘进入地壳深部，沉积在陆地的含氟岩土亦可在板内断裂带随下降盘进入地下，再风化后再次进入循环，自然界中氟循环如图1-1所示。
自然界中的氟循环，除了氟在岩石圈、水圈、大气圈、生物圈之间的全球大循环外，在地壳中，氟在岩浆、岩浆岩、变质岩、沉积岩中不断循环，如图1-2所示。自然界中氟循环可分为三个不同的层次：①生物地质大循环，即氟在地球各圈层之间的循环；②生态系统层次，即在初级生产者的代谢基础上，通过各级消费者和分解者将氟归还自然环境；③生物个体层次，即生物个体在自身生长过程中从周围环境中吸取氟，经机体代谢活动又将氟排出体外，经分解者的作用归还于环境。这三种层次的循环是相互联系、互相影响的。
在讨论有关自然界中氟的来源时，诸多学者将岩石中的氟作为自然环境中氟的最初来源，若把岩石圈以上的土、水、生物系统当作一个环境整体，把岩石作为环境中的氟源是合理的，但若把岩石作为自然环境中氟的来源是欠妥的，因为若岩石中的氟是自然环境中氟的来源，岩石长年累月地向自然环境中输出氟，其氟含量会逐渐减少，但经测试岩石圈中的氟含量并未逐渐降低，而是一直保持在一个较稳定的范围。自然界中没有绝对的源和汇，源和汇只是相对的概念，自然界中存在不同级别层次的氟循环，氟源与氟汇也以不同的等级存在于各对应层级的地质环境中。如果把整个浅地壳表面空间当作一个整体环境，可认为其氟的主要来源是地壳深部和上地幔，经过循环迁移后，最终又汇入地壳深部。
图1-1 自然界中氟循环示意图
图1-2 氟在地壳中的循环示意图（据牟哲富，2011，有修改）
在生态学中，生态系统中的物质循环可以用库和流通两个概念来描述。对于某一种元素，存在一个或者多个主要的库，物质在生态系统中的循环实际上是在库与库之间流通（蔡晓明，2000）。上述氟在自然界中的循环过程亦是氟在不同库之间的相互流通。物质的库可分为两类，贮存库和交换库（蔡晓明，2000），岩石是氟的贮存库，动物、植物、土壤等可看作氟的交换库。在自然界氟的生物地质大循环中，土壤是连接生物循环和地质循环的重要枢纽，许多学者在研究与氟有关的生物迁移与循环时，把土壤作为氟源，但其实土壤只是相当于氟的调节器或者中转站，在一定条件下，水-土-生物系统中的氟可以互相转换，水可以吸收溶解土壤中的氟，土壤也可以吸附水中的氟。
值得注意的是，无论是宏观循环还是局部的小循环，氟的运动大部分都是以水分（流）为载体的，水在一个地方将岩石中的氟溶出，搬运至别处沉降下来，氟随着地下水流动系统或者地表水流动系统不断迁移循环，其中伴随着各种水化学动力作用，如蒸发浓缩作用、吸附解析作用等，水化学作用和地下水流场对氟在浅地表环境中的分布有着重要影响，使氟在地球表生环境中分布不均匀，往往在水流系统的汇区容易富集。