地球化学学科分类与应用研究进展

1、地球化学学科分类与应用研究进展1.地球化学的概念：地球化学就是地球的化学，它是研究地球的化学组成、化学作用及化学演化的学科。2.学科分类：太阳系地球化学月球、行星地球化学地幔地球化学岩石圈地球化学区域地球化学海洋地球化学大气圈地球化学构造地球化学水文地球化学土壤地球化学地层地球化学勘探地球化学环境地球化学地热地球化学石油天然气地球化学同位素地球化学元素地球化学微量元素地球化学有机地球化学生物地球化学稀有气体地球化学硅酸岩地球化学热液地球化学沉积地球化学成矿作用地球化学风化作用地球化学物理地球化学实验地球化学包裹体地球化学历史地球化学微生物地球化学。3.应用进展：1)地球化学动力学的研究进展:地

2、质流体的性质和动力学行为是当前地球科学研究的前沿领域。地质流体赋存在岩石和土壤的空隙和裂隙中，通过孔隙和裂隙而流动，并在流动过程中与构成孔隙和裂隙介质的各种岩石和土壤物质进行复杂的化学反应。因此，地质流体动力学的基本问题是断裂多孔介质中的流体流动和组分输运过程动力学，它对于理解金属成矿过程、油气运移、污染物质的运输和分布等均为十分重要。示例:且为-.*2B多孔介质中平行裂隙系统模型：这里只考虑二维断裂/裂隙介质中的复杂流动问题，组等间距的平行裂隙系统，裂隙间为孔隙介质，如图46所示。于是二维的复杂流动可简化为流体沿平行裂隙（见图46中z方向）的一维渗流、流体中组分的扩散和流体与裂隙壁之间的化学

3、反应而在垂直裂隙壁的方向（见图46中x方向）上则以流体向围岩的扩散为主。研究结果表明：在孔隙介质中流体的渗流速度具每年几毫米的量级，而在裂隙中则可达每年几千米甚至几十千米；溶液中溶质的输运距离反比于介质孔隙度，孔隙度减小使得溶质的输运距离增大，而且其在空间上的分布更不规则；边界条件直接控制着流场的浓度场特征。2）微量元素地球化学研究进展：微量元素地球化学，尤其是稀土元素地球化学，近20年来得到了迅猛发展和广泛应用，成为地球化学领域里的一个重要分支学科。微量元素地球化学的发展大致经历了三个阶段。20世纪50年代之前主要了解和查明微量元素在陨石、地球及其各类地质体中的分布、丰度及其规律，工作主要涉

4、及上部地壳。20世纪6070年代，主要了利用微量元素作为示踪剂和指示剂，研究成岩、成矿作用，如岩石类型划分、原岩恢复、成岩成矿的物质来源和物理化学条件等。70年代以后进入定量模式和理论发展阶段，主要是利用微量元素的特殊地球化学性质，利用热力学的有关理论建立微量元素地球化学模型，对成岩、成矿中的熔融和结晶过程进行定量理论计算，使微量元素地球化学有自己特殊研究方法和理论体系。另外，微量元素和同位素相结合互相取长补短，极大加深了对地球化学过程准确和全面的理解。示例：俯冲板片熔融和熔体交代作用一一自埃达克岩和富Nb岛弧玄武岩的证据。俯冲带壳幔相互作用的主要形式是俯冲板片脱水，形成大离子亲石元素的流体交

5、代上覆地幔楔，地幔楔部分熔融形成岛弧岩浆岩。埃达克岩和富Nb岛弧玄武岩的发现为这种传统知识增添了新知识一一俯冲板片部分熔融形成埃达克岩浆，以及板片熔体上升过程中交代地幔楔中的橄榄岩形成富Nb岛弧玄武岩，反映了俯冲板片熔融及其熔体交代作用过程。埃达克岩是由Defant等厘定的一种新的火成岩，以及最先在阿留申群岛的埃达克岛发现而命名，主要特征是：岩石类型为中酸性岩石，缺失基性端员，岩石组成为岛弧安山岩、英安岩、钠质流纹岩及相应的侵入岩。埃达克岩的厘定丰富了对俯冲带壳幔相互作用的认识，它表明，形成埃达克岩的位置是年轻板片俯冲在火山弧下7090km深处。当俯冲量不超过200km时，板片的熔融才可能发生

6、，当超过200km时，板片熔融不可能发生。此外埃达克岩浆上升过程中会与地幔楔、地壳发生反应，成为研究壳幔相互作用的重要岩石探针。示例：拆沉作用：主要指大陆下岩石圈由于温度较低，密度较大而发生重力不稳定性，沉入软流圈地幔中的作用过程。当今，它指由于重力的不稳定性导致岩石圈地幔、大陆下地壳或大洋地壳沉入下伏软流圈或地幔的过程。拆沉发生在2025km以下的下地壳和岩石圈地幔，它涉及了下地壳、岩石圈地幔和软流圈的相互作用。Kay研究了阿根廷Puna高原火山熔岩的主、微量元素和同位素组成，认为它们的岩石组合和空间分布指示了该区大陆岩石圈发生了拆沉作用。该区火山熔岩可划分为三个地球化学组：一是高K，La/

7、Ta25,产于薄的大陆岩石圈上，是地幔最高程度部分熔融的产物，广泛分布在咼原南部；二是咼钾钙碱系列，La/Ta25,产于中等厚度的大陆岩石圈上，是地幔中等程度部分熔融的产物，分布在第一种熔岩的两侧；三是橄榄玄粗系,K非常高，强烈富集不相容元素，轻重稀土元素分异程度高，分布在最北部，产于相对厚的大陆岩石圈上是地幔非常低程度部分熔融的产物。这种板内、弧后和橄榄玄粗岩系熔岩的组合与伸展或包括了由挤压和伸展组成的复杂体制有关，是本区大陆岩石圈发生拆沉作用的结果。来自高原南部下面大片岩石圈下沉并被软流圈取代，导致了板内的、弧后的钙碱性火山岩浆沿着由于拆沉作用而产生的走滑断层上升、喷发。3）矿床地球化学研

8、究进展：矿床地球化学运用现代地球化学的理论和各种地球化学分析测试技术及方法来研究矿床的化学组成与演化、成矿环境、成矿过程、成矿时代及矿床形成后的保存与演化。成矿物质来源、成矿流体来源和成矿时代是矿床地球化学研究的三大核心科学问题。近年来，矿床地球化学研究进展集中体现在地球化学分析测试方法的进步和成矿理论的革新与不断完善两个方面。这两方面不是分离的。二是相互促进的。新的成矿理论需要新的分析测试方法为支撑，而新方法的发展常由成矿理论研究的需求来带动。示例：高新测试方法与技术及其在矿床学中的应用分析测试的新方法和新技术的建立及高精度、高灵敏度的分析测试结果，对研究成矿理论有着极为重要的作用。近年来除

9、了传统的分析方法，如发射光谱法、原子吸收光谱法、火焰光谱分析、X射线荧光光谱等，微束分析技术也有了迅猛发展，如质子探针（PIXE）和离子探针（SIMS）分析技术、激光溶蚀-等离子体质谱（LA-ICP-MS）、激光探针等。仪器联用技术，如色谱-质谱在线技术（EA-MS）用于测定同位素比值，也取得了显著进展。在稳定同位素研究方面，各种传统的分析方法，如硫化物同位素SO2分析法、碳酸盐矿物仍在矿床地球化学研究中发挥重要重要作用。同时，一些新的分析方法，如高精度离子探针法、激光探针法，正在发挥越来越重要的作用。例如，利用激光探针技术，可以微区原位分析硫、氧、碳同位素。并由于激光氟化技术可以达到非常高的

10、温度（2000K），因而对一些难熔矿物（如锆石）可以较容易地进行氧同位素分析。目前，尽管在分析测试技术方面有了不少进展，但有些分析测试数据具有多解性和局限性，许多重要的金属矿床的成矿时代的精确测定仍存在困难。此外，某些地球化学数据如稀土元素的示踪意义尚待完善充实完善，以及某些测试分析结果的精度与灵敏度还需要进一步示例：成矿物质来源研究进展研究成矿物质来源是矿床地球化学研究中的一项重要内容，它主要是应用微量元素、稀土元素和同位素方法，并结合矿床地质特征来进行深入讨论。随着分析测试技术的提高和发展，成矿物质来源研究方面取得了重要进展。体现在对成矿物质来源和成矿过程复杂性的认识更加深入；各种新的同位

11、素方法的应用则可以更加有效地用于示踪成矿物质的来源及成矿作用过程；进而通过成矿物质来源的深入研究对一些传统的成矿理论提出来质疑和创新。在确定成矿物质来源是除了参考成矿元素含量外，应根据成矿地质条件，利用稀土元素、微量元素和同位素地球化学特征等多种手段进行判别，才能得出更为可靠地结论。例如，在研究我国最大的火山型铀矿床相山铀矿床时，由于围岩火山杂岩中U含量较高，很容易得出成矿物质铀主要是火山气液或大气降水从围岩火山杂岩中萃取出来的结论。蒋耀辉等研究表明，相山铀矿床中铀可能主要来自当地富集地幔，是地幔流体在相山火山杂岩裂隙带中充填沉淀的结果。富集地幔流体比围岩火山杂岩含有更高含量的U和碱金属、大离

12、子亲石元素（LILE）以及高场强元素（HFSE），从铀矿脉向围岩火山岩，LILE、U、TH、碱金属和HFSE含量逐渐降低，而RB/Cs和Th/U等相关元素比值逐渐升高。相山铀矿石及成矿密切共生的萤石中富含REE,并且显示出与成矿围岩完全不同的稀土配分模式。考虑到REE、HFSE和Cs在低温（v300C,相山铀成矿温度v200C）下的不活动性，一般认为造成上述现象的原因是成矿溶液中的成矿物质向围岩扩散的结果。铀矿石具有非常低的Rb/Cs（1.73.4）和Tb/U（0.020.5）比值同区内与成矿同时的煌斑岩的相应比值相类似（分别为3.1和1.4）。而围岩火山岩中这些比值非常高（17.122.5和

13、2.15.4）。Cs在弧火山岩中的富集作用是一种普遍现象。同时由于粘土矿物的吸附作用，沉积物中也富集碱金属Li、Rb和Cs。Hart和Reid（1991）的研究表明在洋壳沉积物俯冲过程中，麻粒岩相变质作用将使沉积物中的Cs大量丢失（相对于K和Rb）。已有的成果表明，U比Th优先从俯冲板片中迁移至地幔楔。因此与俯冲沉积物有关的地幔流体中将富集Cs、U等组分。并显示非常低的Rb/Cs和Th/U比值。以上表明，相山成矿物质U主要来自当地富集地幔流体而不是成矿围岩。示例：成矿流体来源研究进展成矿作用实际上就是成矿流体的成矿作用。它包括成矿流体的组成、来源和演化等。有关这方面的研究进展很快，也是当前地学

14、研究热点之一，尤其在氢氧同位素示踪水岩交换、地幔流体成矿作用及矿床中矿石矿物与脉石矿物流体包裹体岩相学与成分研究等方面表现得更为明显。近几年的研究成果表明，地幔流体可以穿过上地幔及莫霍面，渗透到地壳中而参与成矿。地幔流体具有充足的物质储量、庞大的流体储库和稳定的热源供给，因而更有利于形成超大型的矿床和巨大的矿带。杜乐天（1999）年提出地幔流体成矿作用可分为两种类型。一类是在拉张环境下，地幔流体沿深大断裂上涌至地壳浅部直接成矿；另一类是挤压环境下，地幔流体在深部与下地壳岩石相互作用，产生熔融和岩浆作用，之后随上涌岩浆达地壳浅部发生热液成矿。4）油气成烃成藏地球化学研究进展油气地球化学是用化学原

15、理研究石油、天然气的来源、运移、聚集与变化的应用科学。20世纪6070年代已可以断言，干酪根是油气生成的主要来源。干酪根：沉积岩中既不溶于含水碱性溶剂，也不溶于普通有机组分。它泛指一切成油型、成煤型的有机物质，但不包括现代沉积物中的腐殖质。图125塔里木盘地哈得逊区油气的运移方向略图示例：图125是利用含氮化合物分布特征的研究，获得的塔里木盆地哈得逊区油气的运移规律。图中显示，“屏蔽”型含氮化合物（G1）以及“屏蔽”型含氮化合物与“暴露”型含氮化合物比值（G1/G3.）均随运移距离增加而增加。含氮化合物作为油气运移方向的指示为看淡工作提供了科学依据。示例：天然气稳定同位素动力学研究根据稳定同位

16、素来识别石油天然气的特征、演化阶段和聚集历史为天然气的重要研究内容之一。20世纪90年代中期以来国际上更多地开展了同位素动力学模型的研究。同位素动力学模型是实验的基础上模拟天然气形成过程中稳定同位素的演化规律。它能够吧同位素演化与盆地的热史、埋葬史有效的联系起来，为石油、天然气聚散过程的恢复提供手段与方法。但是，同位素动力学研究目前还处于模型发展阶段。不同的学着从不同的角度建立了各自的模型，在一定程度上解释了碳同位素的演化规律。Cramer等（1998,2001）在同位素动力学模型上进行了一系列探索。Cramer模型中活化能分布一直采用规则的离散分布（间隔小于5kJ/mol）；而反应速率和产率

17、计算上有很大的变化。Cramer模型3中碳12甲烷和碳13甲烷的反应速率和产率的差别主要体现在反应分数上。根据反应速率公式，k=AExp（E/RT）。反应分数的不同只影响其产率，而与反应速度无关。5）环境地球化学的研究进展环境地球化学是20世纪后半期逐渐发展起来的一门学科，它研究人类赖以生存的地球环境化学组成、化学作用、化学演化及环境与人类相互关系。一是原生环境的地球化学性质与植物、动物和人体健康的关系；二是人类活动队环境的化学组成、化学作用、化学演化的影响及其环境效应。近代环境地球化学的研究重点是地球表层环境系统中的化学问题，地球表层环境系统研究的核心是全球环境变化，尤其是全球气候变化以及人

18、类活动对地球表层环境系统和全球环境变化的影响。示例：海相碳酸盐岩锶同位素组成的演化多年来的研究揭示出，海相碳酸盐岩中W（87Sr）/w（86Sr）比值有随岩石年龄发生线性变化的趋势（如下图）。显然这是继承了海水的W（87Sr）/w（86Sr）比值变化。在现代海水中，不管所处的构造部位为何，该比值显得比较恒定，说明该比值不受局部源区的明显影响。海相碳酸盐岩沉积时与海水处于平衡状态，因此，海相碳酸盐岩的Sr同位素组成可以用来指示海水成分随时间变化。控制海洋Sr同位素的组成主要因素为河水的成分于海底热液泉水的成分。现代海水的W（87Sr）/w（86Sr）比值（0.709）代表大约4份河水（0.711）和1份海底火山水（0.703）的混合物。根据Condie（1989/的意见造成海水同位素变化的因素包括：1.大陆地表风化岩石的成分方面的变化；2.火山活动强度的变化；3.能反映造成海底火山来源