地球化学.docx

1、地球化学地 球 化 学Geochemistry0 绪 论人类赖以生存的地球，以及整个宇宙都是由永恒运动的物质构成的；从化学观点看，是由92种化学元素和354种核素组成的。存在于地球内部的不稳定核素自发地进行衰变，释出能量，提供地球物质运动的主要能源；于是岩石熔融、岩浆活动、火山喷溢、构造运动、地表的风化剥蚀、沉积作用等等，造成全球规模的地质作用。这种持续几十亿年的地质构造变动不断地改变着地球的外貌和内部结构，也推动着92种元素及其同位素进行化合、分异、迁移、活动。地质作用经久不息，元素迁移演化不止。地球科学面对一个经历几十亿年发展演化，并且目前仍是处于强烈变动中的“活”的地球。地质作用中不但形

2、成了各种宏观的地质体，同时造成地质产物中不同的物质组成，以及元素和同位素结合状态的微观现象。正是这些宏观的和微观的地质现象记录着地球变迁的历史。地球科学的任务就在于准确地判读这一宏伟的自然“史卷”。地球是一个巨大的化学机器a huge chemical machine，它的驱动力是地球内部的热和地球表面来自太阳的热。地球内部热驱动地幔中的对流-convection。对流将深部物质带到大洋中脊的地表，温度和压力的降低导致部分组分的分离separation或分异differenciation形成玄武岩熔岩。玄武岩富集silicon,aluminium,calcium and the alkali

3、metals，然后固结为组成洋壳的岩石，然后作为大洋岩石圈板块的一部分飘离开大洋中脊。最后在消减带subduction zones板块向下再次进入地幔中。与此伴随的是进一步的化学分离，产生的流体向上进入大陆地壳作为富二氧化硅的花岗岩类固结，成为大陆地壳突出的组成部分。另一方面，地表岩石暴露于阳光之下，水和空气浸透了岩石。这是地球化学机器的第二部分，在大气圈中活动性气体和有机质的参与下，与地壳岩石发生反应，产生又一次的化学分异，这种情况下的化学分离特别清晰，如二氧化硅集中于石英砂和燧石中、铝进入粘土矿物中、钙进入灰岩中，而一些重金属进入矿石中。地球内部对流和近地表风化这两部分化学机器半独立地运行

4、，但它们明显发生联系，当新的地幔物质被带到地表并暴露在地表营力作用下，同时分异的岩石再次被带到地下进入对流的地幔中，来自两种作用的能量就建立了进入岩石圈岩石流体的循环。这两方面的行星机器充满着物理化学问题。首先要问的问题就是地幔对流：地幔对流怎样进行？何时产生？其次是分异的细节：在上地幔中玄武岩是怎样从橄榄岩中形成的？玄武岩又是如何形成花岗岩的？然后水和空气如何侵蚀花岗岩中的矿物？我们也可以提出更深层次的问题：对流和分异的最终结果是什么？地壳从地幔中分离的过程是怎样的？地壳物质通过消减作用回到地幔达到一种平衡状态了么？拟或地壳增长的总量如何？还有关于时间的问题：在地质历史中地幔对流、分异作用和

5、消减作用进行了多长的时间？它们最初是在何时和何地开始的？是怎样开始的？还有更有实际意义的问题：如上述过程如何影响着大陆地表？因为人类在大陆上建立了自己的家园。上述化学机器是怎样将一些岩石中的金、铜、镍等金属集中成矿？又是怎样将另一些岩石中的烃类富集为石油、天然气和煤炭？随着人口的增长和对地球物质利用的增加，我们这个行星的资源还能够维持多长的时间？人类活动对地球的化学机器产生了显著影响，因此对于我们生存环境的影响是什么？上述只是所枚举的众多问题中的几个。寻找问题的答案0.1. 地球化学的基本问题及定义 Geochemistry, 地球是个及其复杂的物质体系。地球科学具有众多的分支学科，它们从不同

6、侧面认识地球的过去和现在。地球化学着重从地球的化学组成、化学作用和化学演化，即物质的化学运动形式方面研究地球。0.1.1 地球化学的基本问题从学科角度看，地球化学是地质学与化学类基础学科相结合、渗透的边缘学科，它具有完全独立的研究思路，可对其概括如下：1. 自然地质作用中除形成宏观地质体外，还造成了大量肉眼难以辨认的常量、微量元素和同位素成分的变化，以及它们之间的相互结合和赋存状态方面的微观踪迹，其中包含着重要的地质作用信息。应用现代分析测试手段观察这些宏观和微观的踪迹，可以深入揭示地质事件的奥秘。 2. 自然物质的运动和存在状态是所处介质条件的函数。地球化学把任一地质作用都看成是一种热力学体

7、系；反映地质环境的体系物理化学条件，作用于具有独立性格的原子，使之产生有规律的变化。根据现代基础科学理论来解释变化的原因和条件，使地球化学有可能在更深入的层次上，认识地质作用的机制。 (3) 地球化学问题必须置于地球或其子系统（区域岩石圈、壳、幔）中进行分析，以系统的组成和状态来约束作用过程的特征和元素的行为。地球化学的这种科学思维可以概括为“见微而知著”。地质作用有规模宏大、时间持久、多次叠加和作用因素复杂的特点。为解析这种复杂的自然作用，必须观察和分析多种变量、多层次的指标，以便追踪历史。现代地球化学的研究成果已充分说明了这一科学思维的优势。围绕原子在地质环境中多方面的变化结果及其地质意义

8、的分析，形成了地球化学研究中的几个基本问题： 研究地球和地质体中元素及其同位素的组成。包括元素及其同位素的含量在空间、时间及不同产状地质体中的变化，即为元素的平均含量(丰度)和分布分配问题abundance，distribution，partitioning。 研究元素在地球及各层圈（地壳、地幔、地核）中的平均含量丰度问题；研究元素及其同位素的含量在不同地质构造单元、岩石、矿物和矿床中的变化，亦即元素的分布和分配问题；不同的地质构造单元、不同的岩石、矿床和矿物中，元素的含量不同，这是由于不同地球化学体系的化学组成差异造成的。相同类型的地质构造单元、不同的岩石、矿床和矿物中，元素的含量也不完全相

9、同，这是体系所处的热动力学条件差异造成的。探讨元素在地球化学体系中不同相(矿物)之间元素含量的变化及其与热力学条件的依存关系，是元素分配的研究范畴。从动态的角度进行研究还可以得到有关元素自然演化的认识。 研究元素的共生组合和赋存形式。 共生组合：（association 或 paragenetic association；前者仅指组合，无成因上的含义，后者则有成因上的含义）具有共同或相似迁移历史和分配规律的元素常在特定的地质体中形成有规律的组合，称为元素的共生组合。 例如： Cu、Pb、Zn 在热液矿床中形成共生组合 Cr、Ni、Co和铂族元素在基性超基性岩中形成共生组合赋存形式（又称为元素的

10、存在形式、赋存状态）（occurrence）：指元素在地质体中以什么形式存在。常见的形式有：化合物（氧化物、硫化物、硅酸盐、碳酸盐等等）、类质同像混入物、机械混入物、包裹体及吸附物等等。元素的结合状态是地质作用物理化学条件的指示剂，元素的存在形式具有成因意义。 研究元素的迁移（transportation）: 元素的地球化学迁移或搬运：系指元素因其性质不同，在自然界的各种外界条件影响下不断结合、分离、集和、分散的运动。 例如：元素的集中矿物矿物集合体（岩石、矿体）矿床； 元素的分散地球化学负异常 集中与分散是对立统一的，有集中比有分散，反之亦然。 如中国南岭W、Sn地球化学省W、Sn矿床W、S

11、n矿集区大型、超大型W、Sn矿床 元素的地球化学迁移是地球化学研究的核心问题。 元素的迁移历史与地球的演化（History, Evolution）： 地球的历史是一个有大量地质事件（events）构成的漫长的时间序列，具灾变和渐变相间，分阶段循环叠加、总体单向发展的特征。对此，化学元素具有“示踪作用”，即元素和同位素的迁移寓于地质作用之中，作用于微迹元素和核素的地质作用的影响有可能越过后期叠加作用而被保留，通过微量元素或同位素的变异来揭示地质作用过程的特征，称为微量元素或同位素“示踪”，这些元素或同位素称为示踪剂(tracer)。 福尔（Gunter Faure）在地球化学原理及应用第二版（1

12、998）中谈到地球化学家进行地球化学研究的四个主要目标或目的： 1）认识化学元素在地球和太阳系中的分布规律； 2）探索地球和宇宙化学组成形成的原因； 3）研究地球表面、地球内部和我们周围太阳系中发生的化学反应； 4）综合这些信息建立地球化学循环，认识这些循环在过去的地质时代怎样起作用，在将来又可能如何变化。 上述四个目标的英文为：to know the distribution回答怎样和什么？How?和What?, to discover the causes回答为什么,Why? to study reactions and assemble into geochemical cycles，简

13、称为：KDSA.基本上与前述四项基本任务一致。0.1.2 地球化学的定义 定义： 地球化学是研究地球及有关宇宙体的化学组成(chemical composition, chemical constitution)、化学作用(chemical action, chemical process)和化学演化(chemical evolution)的科学。 研究对象：地球及其组成部分是地球化学研究的重要对象，而地球化学的基本研究内容则是发生在地球内部的各种自然作用体系的动态机制和演化历史。0.1.3 地球化学的学科特点自从Goldschmidt或Vernadsky时代以来，地球化学已经变为一个成熟的科

14、学，现在在地球科学中起着中心科学的作用。更为特征的是，在过去的50余年时间发生了令人惊叹的发展。从一个主要目的是建立岩石、土壤和水的地壳和地幔组成化学的分析方法，到今天已经成为地球科学中一个解惑释疑的科学(has become an expilanatory science)(Allegre,1995)。其学科特点表现为： 作为地球科学的一个分支 地球化学的主要研究对象是地球、地壳及其地质作用，因此它是地球科学的一部分，其研究途径、思维方法更接近地质学，常是针对自然作用过程提出问题，通过地球化学的理论和方法进行研究，最后得出对自然作用的认识。 地球科学（广义）：大气与气象、地理学、地质学、地球

15、物理学、地球化学 固体地球科学：地质学、地球物理学、地球化学 着重于研究地质作用中的化学运动形式及其规律 以区别于构造地质学和古生物学；地球化学以观察原子为出发点，研究原子活动的整个历史，包括元素富集与分散、固结形式及流体状态迁移等，重视研究微量元素及同位素，以此区别于矿物学、岩石学及矿床学的研究内容。地球化学基本原理具有更为普遍、更为深刻的意义。 地球化学是地球物质科学（material science of the earth）中研究物质成分的主干学科，又兼具分支学科和基础理论学科的双重特点。 以化学类学科科学为理论基础 广泛深入地应用基础科学的理论和方法研究地球物质运动是地球化学的优势，

16、包括无机化学、有机化学、物理化学、热力学、胶体化学、化学动力学等，而量子地球化学、配合物地球化学等等新兴学科的出现，是地球化学与化学基础理论的发展紧密结合的产物。地球化学在推动地质科学定量化和预测化的进程中起着带头学科的作用。 与相邻学科间相互渗透 包括与传统地质学、海洋学、天文学、土壤学等的相互渗透，繁衍出众多的地球化学分支学科。 地球化学兼具理论性和应用性 应用性体现在从矿产资源的勘查利用到关系人类健康的环境规划与治理、生态保护等等，如医学地球化学、农业地球化学等等。例如：研究表明，肝癌的高发区在秦岭淮河一线以南的长江、珠江三角洲、钱塘江及沿海地区，这一地区气侯温热、地势平坦，以多种元素相

17、对富集为其环境地球化学特征，高发区居民钼的摄入量显著不足，环境地球化学研究表明，肝癌高发区主要粮食贫钼，由于作物对钼的吸收能力存在差异，这是人体缺钼的主要原因。 年轻的发展中的科学 地球化学的诞生自20世纪20年代开始，至今只有80多年的历史，由于具有边缘学科的优势，在短短的历史中取得了突飞猛进的发展，其作用已经到了传统地质学研究如果没有地球化学的参与许多问题将难以解决的时候。 目前地球化学已经成为地球科学中一个重要的二级学科，与地质学并列。 图1 地球化学在自然科学中的位置和分支学科图2 地球化学在地质科学中的位置粗线框内：狭义地球化学；虚线框内：广义地球化学；虚线框内：强调自然界物质状况的

18、地球化学图3 按照不同观点对地球化学的分类地球化学与相邻学科和分支学科的关系 构造地球化学 矿床地球化学 水文地球化学 环境地球化学 土壤地球化学 石油地球化学 海洋地球化学 地热地球化学 农业地球化学 医学地球化学 同位素地球化学 元素地球化学 宇宙地球化学 微迹元素地球化学 地球化学 地幔地球化学 有机地球化学 地球物质科学 区域地球化学 生物地球化学 （结晶学、矿物学、岩石学、矿床学） 基础理论 基础化学 物理化学 核化学 量子化学0.2 地球化学发展简史0.2.1 地球化学开创时期 18世纪随着地质学理论和原子理论的发展，地球化学资料和认识在矿物学、矿床学研究中迅速地积累起来，1838

19、年瑞士化学家申拜因（Schonbein）第一次提出了“地球化学”这个名词，1842年他预言“一定有了地球化学，才能有真正的地质科学”。 自从1884年美国地质调查所成立和克拉克（F.W.Clarke）任主要化学师以来，一个对地球进行化学研究的中心就在美洲大陆建立了起来。 1908年克拉克所著的地球化学资料（Data of Geochemistry）一书出版，此后的25年中再版5次。该书被公认为是经典的地球化学著作。克拉克是地球化学的最早奠基人之一。 20世纪初，一个新的地球化学学派在挪威组成。这个学派由沃格特（J.H.L.Vogt）和布罗格（W.C.Brogger）创立。后来由于戈尔德斯密特(

20、Goldsmit)及其同事的工作而驰名世界。戈尔德斯密特1911年毕业于奥斯陆大学，他的论文就是对地球化学基础理论的贡献。1933年他总结提出了晶体化学第一定律，成功地运用原子和离子半经以及极化效应阐明元素的共生组合和类质同像，并拟定了元素的地球化学分类。在他去世后，他的部分成果由缪尔（A.Muir，1954）编辑成专著地球化学，也被公认为经典的地球化学著作。 20世纪二十和三十年代，一个重要的地球化学学派在苏联发展起来。维尔纳茨基（）和费尔斯曼（）就是这个学派的核心和创始人。维尔纳斯基发展了矿物成因及其历史的方向，对元素共生和迁移等问题作了许多研究，并创立了生物地球化学和放射性元素地球化学分

21、支。1924年出版了专著地球化学概论。费尔斯曼在本世纪三十年代对当时积累的大量地球化学资料进行了系统全面的理论总结，创立了地球化学过程能量分析的原理和方法。1940年写成地球化学及矿物学找矿方法，1934到1939年间，写成了巨著地球化学四卷集。 因此，从上述几个研究学派已经发展成为地球化学的几个主要的研究方向，由克拉克开创的地球化学丰度研究已经发展成为勘查地球化学和分析地球化学、由戈尔德斯密特开创的晶体化学已经发展成为理论地球化学、而由维尔纳茨基和费尔斯曼开创的方向就成为历史地球化学方向。总之，在地球化学发展的历史中，曾经经历了较长时间的资料积累阶段，然后主要由于克拉克、戈尔德斯密特、维尔纳

22、斯基和费尔斯曼的巨大工作，才使地球化学从原来分散的资料描述发展成为有系统的理论和独立方法的科学。0.2.2 地球化学发展时期 地球化学的发展时期开始于20世纪50年代，地球化学家越来越多地研究地球化学反应和地球化学作用过程。 1952年，曼逊（Brian Mason）出版了地球化学原理第一版（Principles of Geochemistry），该书作为大学教科书被广泛使用，它有助于地球化学作为地球科学的合理组成部分的地位。60年代，加勒斯（M.Garrels）和科劳斯科普夫（B.Krauskopf）应用热力学和溶液化学确定地球表面矿物的稳定性和它们离子的活动性。通过他们的研究和出版的教科书

23、训练出一批现代地球化学家。 地球化学勘查（Geochemical prospecting or Geochemical Exploration），又称勘查地球化学。它建立在比色学（colorimetry）基础上，由美国地质调查所（Hawkws 和 Lakin）创立于1947年。在美国开发的技术在1953年用在联合王国和南非的土壤调查中。目前，伦敦帝国科技学院的地球化学勘查研究中心已经成为该领域的活动中心。 近年来出现的环境地球化学用于监测因人类污染带入环境的金属和各种有机物的扩散，这一新的造福于人类的应用地球化学领域与污染水文地球化学和医学地球化学紧密相关。因为对于地球上人类的持续繁衍的贡献，

24、勘查地球化学和环境地球化学具有非常重要的作用。 近代分析测试技术大大提高了地球化学数据的精度和分析速度如电子能谱、红外光谱、核磁共振等等，为查明元素在矿物中的赋存状态创造了条件；近代结构化学、物理化学和量子化学等与地球化学的结合，大大推动了地球化学的发展。而在板块构造理论变革了地球科学的同时，也对地球化学产生了重大的影响。这一切都极大地推动了现代地球化学的发展。0.2.3 我国地球化学的发展概况 我国的地球化学的学科同其它地球科学学科的发展一样，是与我国国民经济的发展紧密联系的。1958年，中科院地质研究所成立了地球化学研究室，随后发展成为地球化学研究所。50年代末到60年代初，全国几所高等院

25、校相继设立了地球化学专业教研室或系。近十多年来，又有一些高校地球化学或勘查地球化学专业或教研室，专业队伍不断扩大。国家加强了中科院地球化学研究所、中国科学院广州地球化学、国土资源部地球物理和地球化学勘查研究所等几个研究中心。成立了中国矿物岩石地球化学学会，出版了地球化学、Chinese Journal of Geochemistry等多种刊物，中国矿物岩石地球化学学会有20余个专业委员会，中国地质学会下设勘查地球化学专业委员会，这些全国性的学会每年都召开多个学术研讨会，在地球化学理论和应用上都取得了丰硕的成果，某些方面已经达到国际先进水平。0.3 现代地球化学及其发展趋势大约从20世纪70年代

26、开始，在方法上：X光荧光分析、等离子光度计、精密质谱仪、电子探针、离子探针、质子探针、电子计算机的应用和改进；理论上：化学热力学、化学动力学和量子力学的引入，以及当时地质学中板块构造理论的崛起和随之而来的对地幔的兴趣，以及登月、陨石资料的积累等多方面因素的促进下，使地球化学研究异常活跃。现代地球化学的主要特点是：建立了较完整的地球化学理论体系，形成了独具特色的地球化学研究思路，已制定出一套成熟的工作方法，在解决一些理论和实际问题中起着重要的作用。近20年来地球化学各分支所取得的主要成果概述如下：1. 同位素年代学2. 稳定同位素地球化学3. 微迹元素地球化学4. 实验地球化学5. 地质流体地球

27、化学流体包裹体地球化学6. 物理地球化学7. 有机地球化学8. 地球化学动力学当代地球化学发展动向的主要特征可以概括如下：（1） 各种精密、灵敏、高效分析技术的引入，微区、微量观测方法的开拓，实验模拟技术的改进与提高及电子计算机的普遍应用，已至宇航、深钻、深海探测等极大地开阔了人们的视域，增大了信息量，人类得以从全新的角度更全面更深入地观察我们所居住的这个星球。（2） 现代基础科学成果的引入和广泛应用，提高了地球化学的理解能力和认识深度，使地质科学向定量化、模型化、预测化的方向大大推进了一步。（3） 地球化学广泛吸收相邻学科的成果，相互结合渗透，开拓新领域，共同促进自然科学的发展繁荣。（4）

28、地球化学正在进入一个全面地对自然过程解析广泛的数字模拟的阶段，它包含了与它有关的一切科学的化学方面。而研究一切自然过程的化学机制是现代地球化学的突出趋向。（5） 地球化学对解决与人类息息相关的诸如矿产资源、能源、环境以及地质灾害（火山、地震、泥石流等）等问题提供了实际的成果。地球化学与兄弟学科一起为解决自然科学的重大基础理论问题生命起源、地球与天体的演化、元素的合成等起着越来越大的作用。0.4 地球化学的研究方法 地球化学的研究和其它地质科学一样，必须采用“类比”的方法和“反序”的方法，即根据作用的产物来研究并恢复其作用过程的历史和条件。 地球化学作用和其它地质作用都是同一地质活动的不同侧面，

29、因此，地球化学的研究决不能脱离基础地质工作而单独进行。它的一般工作程序仍然是先野外、后室内，根据专题的要求，去观察、收集实际材料，然后进行系统的能够反映地球化学信息的岩矿鉴定和元素测试工作，来分析和回答所从事课题中的问题。0.4.1 地球化学野外工作方法 1. 宏观地质现象的时空结构观察 在原有地质工作基础上查明区内地层。岩体、构造活动以及矿化和蚀变的空间展布，时间顺序和相互关系等；地质体产状，岩体的分期分相，蚀变和矿化的分带，矿化的分期等等。基础地质资料都有地球化学意义。 2. 野外地球化学问题研究 野外直观地球化学现象的观察和研究，能解决许多问题。作为地球化学研究者，应具有地球化学思维，即

30、学会用元素迁移、化学反应以及地球化学背景的角度看问题。如中酸性岩石的石英绢云母化，实际上是长石的绢云母化：NaAlSi3O8-CaAlSi2O8+H+K+KAl3Si3O10(OH)2+2SiO2+Na+Ca2+ 是与流体中的质子和钾反应，形成含水的铝硅酸盐矿物和石英；而发生在中酸性岩和碳酸盐岩接触带上的矽卡岩化，实际上是两种岩石不同化学元素之间的化学反应： 3CaCO3+Al2O3+3SiO2 = Ca3Al2Si3O12(钙铝榴石) +CO2；CaCO3+MgCO3+2SiO2 = CaMgSi2O6(透辉石) + 2CO2。 3. 地球化学样品采集 这是地球化学非常特征的研究方法，即通过

31、对地球化学样品的元素含量、氧化物含量、同位素含量等的测试，从微观角度研究地质作用过程中元素的赋存状态、迁移形式和沉淀方式等，从而揭示作用的地球化学机理。采样要以对研究区地质特征的认识和测试方法的了解为前提。样品的布局设计应注意3个问题： 样品要具有代表性 样品要具有系统性。对研究对象空间上、时间上和不同成因系列的样品构成一个系列； 样品的统计性。具同样代表性的样品常由一组样品构成。在地质多元统计中大子样n50，小子样n15。 0.4.2 地球化学室内研究方法 1）灵敏精确的分析测试方法 地球化学经常处理的元素含量为克拉克值的级次，需要精密的分析技术，灵敏度一般要求达到10-410-7%。目前现

32、代分析测试仪器可以获得地球化学所需的精度和灵敏度。常用的分析方法有：发射光谱法、原子吸收光谱分析、火焰光谱分析、离子选择电极、极谱分析、X荧光光谱、中子活化、等离子体光量计分析、等离子质谱分析以及各种专项分析技术。 2） 元素结合形式和赋存状态的鉴定和研究 对不形成独立矿物的元素，应研究其赋存状态。方法包括：晶体光学法、物性和物相分析法、X射线分析法、以及各种微区分析测定如电子探针、离子探针、质子探针、同步加速X射线衍射分析等。 3） 作用物理化学条件的测定和计算 包括测定法和计算法两类。如包裹体测温、测压技术；微量元素温度计，矿物温度计，同位素温度计等为测定和计算相结合的方法。作为热力学参数还应包括体系pH、Eh、fo2、盐度、离子强度、矿质浓度等参数计算。