表生地球化學作用及元素的地球化學

1、表生地球化學作用及元素的地球化學行為,概念 表生風化及成巖作用 巖溶地球化學作用 冰川地球化學作用 微生物地球化學作用 稀土元素的地球化學行為,表生地球化學作用的概念,表生環(huán)境是一個在太陽能和重力能驅(qū)使下，以內(nèi)生過程所提供的巖石、礦石為原料，固相、液相、氣相共同存在，物理、化學、生物一起作用的一個巨大的多組分的動力學體系。 表生地球化學研究的核心任務是研究元素在地球的表層（低溫、常壓）范圍內(nèi)的遷移、循環(huán)和演化過程。其中重點又應該是研究外生和低溫的有水參與的地球化學，包括在地球表面大氣圈、生物圈、海洋和水體中以及與其接觸的巖石建所發(fā)生的化學反應，其中又尤其以發(fā)生在各界面之間的作用更為重要，一般稱

2、之為低穩(wěn)水巖體系的地球化學。,表生作用從地質(zhì)年代上看是十分短暫的，但它也是多階段的。不同的元素在不同自然條件下表現(xiàn)出不同的習性。表生地球化學作用的條件與內(nèi)生過程截然相反：常溫而溫變迅速，常壓而壓力變化幅度小，富含游離氧及二氧化碳，有水的氣、液、固三相參加，有生物作用，有廣大的自由空間，有人類的直接參與等。為適應這樣的條件，化學反應以放熱反應為主。完好粗大的晶體被土狀物所代替；致密堅硬的巖石變成松散物；無定形物質(zhì)增多，大分子量及分子不定的物質(zhì)大量出現(xiàn)；化學反應的可能數(shù)目激增，化學元素間的各種過渡性結(jié)合形式大量涌現(xiàn)；表生礦物數(shù)目大大超過內(nèi)生礦物，但它們的粒度都很小 。此外，生物活動在表生帶內(nèi)的作用

3、也很大。下圖是表生遷移的一般途徑。,表生遷移的一般途徑,表生地球化學作用及元素的地球化學行為,概念 表生風化及成巖作用 沉積地球化學作用 巖溶地球化學作用 冰川地球化學作用 微生物地球化學作用 稀土元素的地球化學行為,表生風化及成巖作用,風化作用主要包括物理風化、化學風化和生物風化。 物理風化是風化作用的初級階段。物理風化的根據(jù)，就在于整塊巖石或礦石內(nèi)部物理性質(zhì)的不均勻性。如個組分的膨脹系數(shù)不一，比重不同，節(jié)理、解理的存在等等。風化作用就是消除這種物理上的不均勻性，它只能把粒度變小，不能改變巖石的礦物成分及化學組成。物理風化的營力是多種多樣的，主要有重力作用、氣溫變化，凍結(jié)與凍溶，鹽類的結(jié)晶與

4、植物的生長等。物理風化的強度，明顯地受絕對絕對高程、相對高差及溫度的控制。在高寒山區(qū)和極地，物理風化占絕對優(yōu)勢。,化學風化實質(zhì)上就是地表水或大氣水中的成分與巖石礦物的化學反應?；瘜W反應在改變原始巖石的礦物成分與化學組成的同時，把巖石粒度進一步變細到粘粒及分子的大小。 化學風化必須有水參加，才能使反應有一定的速度；反應產(chǎn)物被水帶走，才能使反應一直進行下去。在表生帶內(nèi)發(fā)生的各種化學反應主要有以下幾類：水解水合反應、氧化還原反應及離子交換反應。 生物風化是指由生物作用所引起的物理風化及化學風化。,在地球表面最易發(fā)生的化學作用就是水巖作用，而尤以風化過程中的水巖作用最為典型。 已形成的巖石（包括礦石）

5、進入地球表層后，由于環(huán)境的物理化學條件發(fā)生了變化，為了要與新的環(huán)境取得平衡，原有的物質(zhì)存在形式（包括元素含量和組合、元素的結(jié)合方式等）將發(fā)生深刻的變化。 當環(huán)境中的水、水中溶解的陰離子和CO2、O2等于巖石發(fā)生作用時，巖石開始發(fā)生化學變化，使巖石和礦物的組分、結(jié)構(gòu)徹底被改造。 硅酸鹽礦物經(jīng)歷化學作用后，形成一系列次生礦物，主要有粘土礦物類及鐵、錳、鋁的含水氧化物。經(jīng)化學風化后，一部分元素進入次生礦物，另一部分物質(zhì)成為可溶物，如堿金屬和堿土金屬K、Na、Ca、 Mg、等以氧離子形式，以及CO32-和SO42-等以陰離子形式溶于水中。一般來說，K+、Mg2+可以被粘土強烈吸附，Ca2+、Na+更容

6、易程離子態(tài)溶于水中被遷移。,表生地球化學作用及元素的地球化學行為,概念 表生風化及成巖作用 巖溶地球化學作用 冰川地球化學作用 微生物地球化學作用 稀土元素的地球化學行為,巖溶地球化學作用,在巖溶地質(zhì)條件下，巖石的元素通過巖溶地球化學過程向水中遷移,使水流中溶解有大量的離子。其大部分隨水流帶走,一部分伴隨水循環(huán)在巖溶環(huán)境中再分配,造成特殊的巖溶環(huán)境。因此,石山環(huán)境中元素的分布特征主要取決于巖溶地球化學的正向遷移。,碳-水-鈣循環(huán)構(gòu)成的巖溶動力過程驅(qū)動巖溶環(huán)境的元素遷移,并制約元素遷移的質(zhì)和量。在弱巖溶動力作用下,可溶性元素遷移,難溶元素在環(huán)境中相對富集;在強巖溶作用條件下,巖石的碳酸鹽成分迅速

7、溶解并以很高的濃度遷移,難溶的Fe、Si、Al、P、Mn元素在巖溶水中也有一定的含量,因此元素遷移對巖溶動力條件具有敏感性。碳酸鹽巖背景的元素遷移造成富鈣的環(huán)境,由此影響其它元素的遷移,但巖石中元素的高背景值仍可促進生態(tài)環(huán)境中該類元素的富集。,巖溶地球化學作用,表生地球化學作用及元素的地球化學行為,概念 表生風化及成巖作用 巖溶地球化學作用 冰川地球化學作用 微生物地球化學作用 稀土元素的地球化學行為,冰川地球化學作用,（1）極地冰川 隨著人類社會的快速發(fā)展,人類活動已經(jīng)成為影響地球環(huán)境中化學元素再分配的重要因素.作為評價人類活動對地球大氣環(huán)境影響的良好指標,重金屬元素在極地和山地冰川地區(qū)雪冰

8、中的含量變化引起了科學家的極大關注.重金屬元素的自然本底很低,通過恢復這些元素在偏遠地區(qū)的歷史記錄可以研究大氣中重金屬污染的歷史和規(guī)模,探討污染物質(zhì)的來源和中長距離的輸送過程.,現(xiàn)有的研究發(fā)現(xiàn),格陵蘭現(xiàn)代降水中的,和等元素主要來自人為源,表明格陵蘭大氣環(huán)境中重金屬的自然循環(huán)過程已經(jīng)受到人類活動的嚴重影響,主要原因是格陵蘭距離歐亞和北美地區(qū)的工業(yè)區(qū)較近,并且每年的12月至翌年的4月存在一個強大的南北向空氣輸送,有利于污染物向格陵蘭地區(qū)輸送.,Mulvaney和Wolff(1994)研究了南極冰蓋主要雜質(zhì)的空間分布特征后指出,盡管NO-3的濃度與海拔高度和積累速率有一定的關系,但在整個冰蓋上的分布

9、仍趨一致。Cl-濃度值隨離岸距離的增大而減小,如果高程變化不大,其衰減趨勢緩慢;ssSO2-4的濃度變化趨勢類似Cl-。南極冰蓋絕大部分雪冰化學資料僅限于冰蓋邊緣地區(qū),南極冰蓋內(nèi)陸高原上,此類資料仍很匱乏。最近,秦大河(1995)對橫貫南極冰蓋現(xiàn)代降水中的化學分析結(jié)果表明,非海鹽離子(MSA、Ca2+和nssSO2-4)通量在內(nèi)陸腹地分布均勻,但海鹽離子卻呈“西高、東低”、即“西南極洲高、東南極洲低”態(tài)勢,說明了冰蓋不同地區(qū)降水汽團的來源不同,這與過量氘(exD)的分析結(jié)論一致;NO-3的來源與高層大氣中的電離層作用有密切的關系;重金屬Pb含量的分析表明,西南極洲現(xiàn)代降水中Pb的濃度為80年代

10、末期“本底”值,而前蘇聯(lián)東方站到和平站間出現(xiàn)較高值,系人類活動結(jié)果。就Pb的“本底”濃度而言,西南極洲現(xiàn)代降水中Pb的濃度810-121210-12gg-1,已明顯高于Peel(1989)的2.310-126.310-12gg-1之值,說明時隔不到十年,人類活動為主造成的全球Pb污染,已波及到南極洲這塊世界最干凈的大陸。,（2）山地冰川 山地冰川發(fā)育在中低緯度地區(qū),冰川湖泊沉積物的地球化學研究可以反映第四紀氣候及環(huán)境的變遷。對地區(qū)以及更大的范圍內(nèi)的氣候變化進行預測。,一號冰川,Ca/Mg 湖泊中自生 CaCO3 含量的增加,反映了較為溫濕的環(huán)境,高溫的環(huán)境中,水體中的浮游生物光合作用加強 消耗

11、的 CO2 增多,化學反應 Ca2+HCO3=CaCO3+CO2 平衡向右移動,導致CaCO3含量升高. 所以湖泊中 CaCO3 的含量是一個反映溫度高低的重要指標.對于方解石來講,外源碎屑帶入湖泊的成分和內(nèi)生成分難以區(qū)分.但是因為Ca(Mg)CO3一般不是內(nèi)生沉淀的, 而是僅僅由外源物質(zhì)注入, 所以可用CaO/MgO來表示湖泊內(nèi)生 CaCO3的含量,該比值偏高,則表明當時較溫暖的環(huán)境.另外Al2O3在沉積物中的含量一般比較穩(wěn)定, 用其含量可校正陸源碎屑輸入的變化,因此CaO/(MgO+Al2O3)可以用來表示 CaCO3內(nèi)生含量的相對高低, 從而反映溫度的變化.,Fe/Mn 影響湖泊沉積物F

12、e和Mn含量的因素很多, 其中以集水區(qū)的地質(zhì)背景和植被狀態(tài),尤其是水體的氧化還原條件最為重要Fe,Mn 都是變價元素, 對環(huán)境的氧化還原性質(zhì)反應敏感.由于Mn與O的親和力明顯低于Fe與O的親和力 沉積過程中易發(fā)生Fe,Mn分離,Fe先沉淀導致Fe/Mn比值偏高, 并可藉此指示水深。隨著氣候向暖干方向發(fā)展,湖泊水位下降,氧化程度加強,Fe會先于Mn發(fā)生大量沉積.所以Fe/Mn值的高值表示暖干氣候條件下湖平面降低的階段.,表生地球化學作用及元素的地球化學行為,概念 表生風化及成巖作用 巖溶地球化學作用 冰川地球化學作用 微生物地球化學作用 稀土元素的地球化學行為,微生物地球化學,微生物地球化學是研

13、究微生物與地球表層自然環(huán)境之間的各種生化作用,以揭示自然界元素循環(huán)的物理、化學現(xiàn)象的科學,即研究微生物生化作用在不同時空尺度上參與地球表層各圈層的化學組成、循環(huán)、演變的歷史過程和規(guī)律的科學. 微生物地球化學主要是各種與微生物及礦物有關的元素微生物的循環(huán)演化過程和機制。微生物的（碳、氮、硫、鐵、錳等元素）的循環(huán)，存在于在地表的風化作用、沉積成巖、各種有機質(zhì)及金屬礦床、礦源層的形成過程中 。,生物風化作用主要體現(xiàn)在微觀上礦物的分解與元素的遷移。特別是植物生長時從土壤中吸收了大量金屬元素(包括金),在植物死亡后,不僅將大量金屬非金屬元素截留回地表,而且植物腐爛產(chǎn)生的腐殖酸對土壤中化學元素的遷移和富集

14、成礦起著重要作用。在東北森林沼澤景觀區(qū)的一、二、三級水系中均有大量砂金礦床分布,這些砂金礦床在成因上均與腐殖酸有著密切的關系。,微生物地球化學,盡管具有有利的一面，微生物對土壤礦物所造成的強烈的風化作用，使土壤中大量可溶性鹽類六十，并導致該地區(qū)土壤酸化，養(yǎng)料缺失，不利于植物的生長；微生物造成的風化作用有事還產(chǎn)生環(huán)境污染，如硝化細菌可以使土壤匯總不斷產(chǎn)生硝酸鹽，如果滲入地下水中，不僅減少了土壤中的氮元素，還造成了地下水的污染。,表生地球化學作用及元素的地球化學行為,概念 表生風化及成巖作用 巖溶地球化學作用 冰川地球化學作用 微生物地球化學作用 稀土元素的地球化學行為,元素的地球化學行為,從理論

15、上講,地球化學異常的產(chǎn)生并不是孤立的,它的存在與元素的性質(zhì)相關。在實驗體系中,Li、Na、K、Rb、Cs同屬于堿金屬,化學性質(zhì)相似,但在地球化學體系中,由于受原始豐度等的影響,它們的地球化學行為有很大的差別:Na、K為造巖元素,Li、Cs、Rb為稀有元素,Li、Cs只有在少數(shù)條件下才能形成獨立礦物,而Rb在地殼中尚未發(fā)現(xiàn)有獨立礦物。所以確切地說,地球化學異常與元素的地球化學性質(zhì)有關,特別與土壤、水系沉積物、巖屑等介質(zhì)的次生地球化學及元素的表生地球化學性質(zhì)有很大的關系。,稀土元素的地球化學行為,REE是了解和研究地球表生過程的一個重要手段。稀土元素(REE)以其獨特的穩(wěn)定性和相似性存在于自然界之

16、中,但由于整體收縮效應和個別元素特定的化學性質(zhì),在自然界中又反映出不同的個體行為。同時,由于不同的表生水源具有不同酸堿度和含有不同的離子及有機質(zhì)成分,以及物源環(huán)境和巖性的差異,這對稀土元素的溶解、遷移和再分配起著決定性的作用。 隨著巖石的不同,賦存其中的具體稀土元素種類、含量和方式也有所不同。稀土元素在礦物和巖石中的不同分配,決定了其抗風化能力的差異,以及由于風化產(chǎn)物不同所導致的REE的重新分配和再遷移。大氣環(huán)境、圍巖成分和地下水的循環(huán)以及地表水的交換,決定了淋濾液的離子成分、酸堿度、離子電位和活化度的差異,從而決定了REE的淋失強度和分餾效應。 風化作用的強弱導致殘留礦物種類和顆粒大小的不同

17、,較強的風化使殘留礦物顆粒變細,粘土成分增強,REE容易以離子狀態(tài)和膠粒懸浮狀態(tài)發(fā)生遷移,相反則使REE成分發(fā)生殘留,特別是石榴子石和輝石等抗風化礦物。,稀土元素的遷移方式,地表水多為(弱)酸性和弱堿性.所含陰離子成分以HCO3- , CO32-、HPO42-、PO43-、Cl-等為主，同時溶有少量的SO42-和F-為各種金屬陽離子的溶解遷移提供了豐富的配位體。大量有關地下水體中REE的研究結(jié)果顯示碳酸根、磷酸根、氯離子等無機酸根絡合物和自由離子是地下水中REE的主要存在方式；碳酸根絡合物形式往往占地下水溶液中各稀土元素的90%以上，而且HREE絡合物相對于LREE更為富集。 許多研究結(jié)果也表明，風化過程中稀土可以HCO3- ,SO42-、HPO4-、N03-、Cl- ,F-等無機酸根絡合物、輕基配合物或自由離子的形式遷移。同時，有機質(zhì)或通過改變淋濾介質(zhì)的pH值影響REE的遷移，或直接與稀土離子結(jié)合，以有機絡離子的形式遷移REE.風化殼中各類有機物與稀土離子的絡合更穩(wěn)定，使稀土從原巖(礦物)中脫出、遷移的能力比無機