地球化學(xué)學(xué)科分類與應(yīng)用研究進(jìn)展

1、地球化學(xué)學(xué)科分類與應(yīng)用研究進(jìn)展1.地球化學(xué)的概念：地球化學(xué)就是地球的化學(xué)，它是研究地球的化學(xué)組成、化學(xué)作用及化學(xué)演化的學(xué)科。2.學(xué)科分類：太陽系地球化學(xué)月球、行星地球化學(xué)地幔地球化學(xué)巖石圈地球化學(xué)區(qū)域地球化學(xué)海洋地球化學(xué)大氣圈地球化學(xué)構(gòu)造地球化學(xué)水文地球化學(xué)土壤地球化學(xué)地層地球化學(xué)勘探地球化學(xué)環(huán)境地球化學(xué)地?zé)岬厍蚧瘜W(xué)石油天然氣地球化學(xué)同位素地球化學(xué)元素地球化學(xué)微量元素地球化學(xué)有機(jī)地球化學(xué)生物地球化學(xué)稀有氣體地球化學(xué)硅酸巖地球化學(xué)熱液地球化學(xué)沉積地球化學(xué)成礦作用地球化學(xué)風(fēng)化作用地球化學(xué)物理地球化學(xué)實(shí)驗(yàn)地球化學(xué)包裹體地球化學(xué)歷史地球化學(xué)微生物地球化學(xué)。3.應(yīng)用進(jìn)展：1)地球化學(xué)動(dòng)力學(xué)的研究進(jìn)展:地

2、質(zhì)流體的性質(zhì)和動(dòng)力學(xué)行為是當(dāng)前地球科學(xué)研究的前沿領(lǐng)域。地質(zhì)流體賦存在巖石和土壤的空隙和裂隙中，通過孔隙和裂隙而流動(dòng)，并在流動(dòng)過程中與構(gòu)成孔隙和裂隙介質(zhì)的各種巖石和土壤物質(zhì)進(jìn)行復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)。因此，地質(zhì)流體動(dòng)力學(xué)的基本問題是斷裂多孔介質(zhì)中的流體流動(dòng)和組分輸運(yùn)過程動(dòng)力學(xué)，它對(duì)于理解金屬成礦過程、油氣運(yùn)移、污染物質(zhì)的運(yùn)輸和分布等均為十分重要。示例:且為-.*2B多孔介質(zhì)中平行裂隙系統(tǒng)模型：這里只考慮二維斷裂/裂隙介質(zhì)中的復(fù)雜流動(dòng)問題，組等間距的平行裂隙系統(tǒng)，裂隙間為孔隙介質(zhì)，如圖46所示。于是二維的復(fù)雜流動(dòng)可簡(jiǎn)化為流體沿平行裂隙（見圖46中z方向）的一維滲流、流體中組分的擴(kuò)散和流體與裂隙壁之間的化學(xué)

3、反應(yīng)而在垂直裂隙壁的方向（見圖46中x方向）上則以流體向圍巖的擴(kuò)散為主。研究結(jié)果表明：在孔隙介質(zhì)中流體的滲流速度具每年幾毫米的量級(jí)，而在裂隙中則可達(dá)每年幾千米甚至幾十千米；溶液中溶質(zhì)的輸運(yùn)距離反比于介質(zhì)孔隙度，孔隙度減小使得溶質(zhì)的輸運(yùn)距離增大，而且其在空間上的分布更不規(guī)則；邊界條件直接控制著流場(chǎng)的濃度場(chǎng)特征。2）微量元素地球化學(xué)研究進(jìn)展：微量元素地球化學(xué)，尤其是稀土元素地球化學(xué)，近20年來得到了迅猛發(fā)展和廣泛應(yīng)用，成為地球化學(xué)領(lǐng)域里的一個(gè)重要分支學(xué)科。微量元素地球化學(xué)的發(fā)展大致經(jīng)歷了三個(gè)階段。20世紀(jì)50年代之前主要了解和查明微量元素在隕石、地球及其各類地質(zhì)體中的分布、豐度及其規(guī)律，工作主要涉

4、及上部地殼。20世紀(jì)6070年代，主要了利用微量元素作為示蹤劑和指示劑，研究成巖、成礦作用，如巖石類型劃分、原巖恢復(fù)、成巖成礦的物質(zhì)來源和物理化學(xué)條件等。70年代以后進(jìn)入定量模式和理論發(fā)展階段，主要是利用微量元素的特殊地球化學(xué)性質(zhì)，利用熱力學(xué)的有關(guān)理論建立微量元素地球化學(xué)模型，對(duì)成巖、成礦中的熔融和結(jié)晶過程進(jìn)行定量理論計(jì)算，使微量元素地球化學(xué)有自己特殊研究方法和理論體系。另外，微量元素和同位素相結(jié)合互相取長(zhǎng)補(bǔ)短，極大加深了對(duì)地球化學(xué)過程準(zhǔn)確和全面的理解。示例：俯沖板片熔融和熔體交代作用一一自埃達(dá)克巖和富Nb島弧玄武巖的證據(jù)。俯沖帶殼幔相互作用的主要形式是俯沖板片脫水，形成大離子親石元素的流體交

5、代上覆地幔楔，地幔楔部分熔融形成島弧巖漿巖。埃達(dá)克巖和富Nb島弧玄武巖的發(fā)現(xiàn)為這種傳統(tǒng)知識(shí)增添了新知識(shí)一一俯沖板片部分熔融形成埃達(dá)克巖漿，以及板片熔體上升過程中交代地幔楔中的橄欖巖形成富Nb島弧玄武巖，反映了俯沖板片熔融及其熔體交代作用過程。埃達(dá)克巖是由Defant等厘定的一種新的火成巖，以及最先在阿留申群島的埃達(dá)克島發(fā)現(xiàn)而命名，主要特征是：巖石類型為中酸性巖石，缺失基性端員，巖石組成為島弧安山巖、英安巖、鈉質(zhì)流紋巖及相應(yīng)的侵入巖。埃達(dá)克巖的厘定豐富了對(duì)俯沖帶殼幔相互作用的認(rèn)識(shí)，它表明，形成埃達(dá)克巖的位置是年輕板片俯沖在火山弧下7090km深處。當(dāng)俯沖量不超過200km時(shí)，板片的熔融才可能發(fā)生

6、，當(dāng)超過200km時(shí)，板片熔融不可能發(fā)生。此外埃達(dá)克巖漿上升過程中會(huì)與地幔楔、地殼發(fā)生反應(yīng)，成為研究殼幔相互作用的重要巖石探針。示例：拆沉作用：主要指大陸下巖石圈由于溫度較低，密度較大而發(fā)生重力不穩(wěn)定性，沉入軟流圈地幔中的作用過程。當(dāng)今，它指由于重力的不穩(wěn)定性導(dǎo)致巖石圈地幔、大陸下地殼或大洋地殼沉入下伏軟流圈或地幔的過程。拆沉發(fā)生在2025km以下的下地殼和巖石圈地幔，它涉及了下地殼、巖石圈地幔和軟流圈的相互作用。Kay研究了阿根廷Puna高原火山熔巖的主、微量元素和同位素組成，認(rèn)為它們的巖石組合和空間分布指示了該區(qū)大陸巖石圈發(fā)生了拆沉作用。該區(qū)火山熔巖可劃分為三個(gè)地球化學(xué)組：一是高K，La/

7、Ta25,產(chǎn)于薄的大陸巖石圈上，是地幔最高程度部分熔融的產(chǎn)物，廣泛分布在咼原南部；二是咼鉀鈣堿系列，La/Ta25,產(chǎn)于中等厚度的大陸巖石圈上，是地幔中等程度部分熔融的產(chǎn)物，分布在第一種熔巖的兩側(cè)；三是橄欖玄粗系,K非常高，強(qiáng)烈富集不相容元素，輕重稀土元素分異程度高，分布在最北部，產(chǎn)于相對(duì)厚的大陸巖石圈上是地幔非常低程度部分熔融的產(chǎn)物。這種板內(nèi)、弧后和橄欖玄粗巖系熔巖的組合與伸展或包括了由擠壓和伸展組成的復(fù)雜體制有關(guān)，是本區(qū)大陸巖石圈發(fā)生拆沉作用的結(jié)果。來自高原南部下面大片巖石圈下沉并被軟流圈取代，導(dǎo)致了板內(nèi)的、弧后的鈣堿性火山巖漿沿著由于拆沉作用而產(chǎn)生的走滑斷層上升、噴發(fā)。3）礦床地球化學(xué)研

8、究進(jìn)展：礦床地球化學(xué)運(yùn)用現(xiàn)代地球化學(xué)的理論和各種地球化學(xué)分析測(cè)試技術(shù)及方法來研究礦床的化學(xué)組成與演化、成礦環(huán)境、成礦過程、成礦時(shí)代及礦床形成后的保存與演化。成礦物質(zhì)來源、成礦流體來源和成礦時(shí)代是礦床地球化學(xué)研究的三大核心科學(xué)問題。近年來，礦床地球化學(xué)研究進(jìn)展集中體現(xiàn)在地球化學(xué)分析測(cè)試方法的進(jìn)步和成礦理論的革新與不斷完善兩個(gè)方面。這兩方面不是分離的。二是相互促進(jìn)的。新的成礦理論需要新的分析測(cè)試方法為支撐，而新方法的發(fā)展常由成礦理論研究的需求來帶動(dòng)。示例：高新測(cè)試方法與技術(shù)及其在礦床學(xué)中的應(yīng)用分析測(cè)試的新方法和新技術(shù)的建立及高精度、高靈敏度的分析測(cè)試結(jié)果，對(duì)研究成礦理論有著極為重要的作用。近年來除

9、了傳統(tǒng)的分析方法，如發(fā)射光譜法、原子吸收光譜法、火焰光譜分析、X射線熒光光譜等，微束分析技術(shù)也有了迅猛發(fā)展，如質(zhì)子探針（PIXE）和離子探針（SIMS）分析技術(shù)、激光溶蝕-等離子體質(zhì)譜（LA-ICP-MS）、激光探針等。儀器聯(lián)用技術(shù)，如色譜-質(zhì)譜在線技術(shù)（EA-MS）用于測(cè)定同位素比值，也取得了顯著進(jìn)展。在穩(wěn)定同位素研究方面，各種傳統(tǒng)的分析方法，如硫化物同位素SO2分析法、碳酸鹽礦物仍在礦床地球化學(xué)研究中發(fā)揮重要重要作用。同時(shí)，一些新的分析方法，如高精度離子探針法、激光探針法，正在發(fā)揮越來越重要的作用。例如，利用激光探針技術(shù)，可以微區(qū)原位分析硫、氧、碳同位素。并由于激光氟化技術(shù)可以達(dá)到非常高的

10、溫度（2000K），因而對(duì)一些難熔礦物（如鋯石）可以較容易地進(jìn)行氧同位素分析。目前，盡管在分析測(cè)試技術(shù)方面有了不少進(jìn)展，但有些分析測(cè)試數(shù)據(jù)具有多解性和局限性，許多重要的金屬礦床的成礦時(shí)代的精確測(cè)定仍存在困難。此外，某些地球化學(xué)數(shù)據(jù)如稀土元素的示蹤意義尚待完善充實(shí)完善，以及某些測(cè)試分析結(jié)果的精度與靈敏度還需要進(jìn)一步示例：成礦物質(zhì)來源研究進(jìn)展研究成礦物質(zhì)來源是礦床地球化學(xué)研究中的一項(xiàng)重要內(nèi)容，它主要是應(yīng)用微量元素、稀土元素和同位素方法，并結(jié)合礦床地質(zhì)特征來進(jìn)行深入討論。隨著分析測(cè)試技術(shù)的提高和發(fā)展，成礦物質(zhì)來源研究方面取得了重要進(jìn)展。體現(xiàn)在對(duì)成礦物質(zhì)來源和成礦過程復(fù)雜性的認(rèn)識(shí)更加深入；各種新的同位

11、素方法的應(yīng)用則可以更加有效地用于示蹤成礦物質(zhì)的來源及成礦作用過程；進(jìn)而通過成礦物質(zhì)來源的深入研究對(duì)一些傳統(tǒng)的成礦理論提出來質(zhì)疑和創(chuàng)新。在確定成礦物質(zhì)來源是除了參考成礦元素含量外，應(yīng)根據(jù)成礦地質(zhì)條件，利用稀土元素、微量元素和同位素地球化學(xué)特征等多種手段進(jìn)行判別，才能得出更為可靠地結(jié)論。例如，在研究我國(guó)最大的火山型鈾礦床相山鈾礦床時(shí)，由于圍巖火山雜巖中U含量較高，很容易得出成礦物質(zhì)鈾主要是火山氣液或大氣降水從圍巖火山雜巖中萃取出來的結(jié)論。蔣耀輝等研究表明，相山鈾礦床中鈾可能主要來自當(dāng)?shù)馗患蒯＃堑蒯Ａ黧w在相山火山雜巖裂隙帶中充填沉淀的結(jié)果。富集地幔流體比圍巖火山雜巖含有更高含量的U和堿金屬、大離

12、子親石元素（LILE）以及高場(chǎng)強(qiáng)元素（HFSE），從鈾礦脈向圍巖火山巖，LILE、U、TH、堿金屬和HFSE含量逐漸降低，而RB/Cs和Th/U等相關(guān)元素比值逐漸升高。相山鈾礦石及成礦密切共生的螢石中富含REE,并且顯示出與成礦圍巖完全不同的稀土配分模式?？紤]到REE、HFSE和Cs在低溫（v300C,相山鈾成礦溫度v200C）下的不活動(dòng)性，一般認(rèn)為造成上述現(xiàn)象的原因是成礦溶液中的成礦物質(zhì)向圍巖擴(kuò)散的結(jié)果。鈾礦石具有非常低的Rb/Cs（1.73.4）和Tb/U（0.020.5）比值同區(qū)內(nèi)與成礦同時(shí)的煌斑巖的相應(yīng)比值相類似（分別為3.1和1.4）。而圍巖火山巖中這些比值非常高（17.122.5和

13、2.15.4）。Cs在弧火山巖中的富集作用是一種普遍現(xiàn)象。同時(shí)由于粘土礦物的吸附作用，沉積物中也富集堿金屬Li、Rb和Cs。Hart和Reid（1991）的研究表明在洋殼沉積物俯沖過程中，麻粒巖相變質(zhì)作用將使沉積物中的Cs大量丟失（相對(duì)于K和Rb）。已有的成果表明，U比Th優(yōu)先從俯沖板片中遷移至地幔楔。因此與俯沖沉積物有關(guān)的地幔流體中將富集Cs、U等組分。并顯示非常低的Rb/Cs和Th/U比值。以上表明，相山成礦物質(zhì)U主要來自當(dāng)?shù)馗患蒯Ａ黧w而不是成礦圍巖。示例：成礦流體來源研究進(jìn)展成礦作用實(shí)際上就是成礦流體的成礦作用。它包括成礦流體的組成、來源和演化等。有關(guān)這方面的研究進(jìn)展很快，也是當(dāng)前地學(xué)

14、研究熱點(diǎn)之一，尤其在氫氧同位素示蹤水巖交換、地幔流體成礦作用及礦床中礦石礦物與脈石礦物流體包裹體巖相學(xué)與成分研究等方面表現(xiàn)得更為明顯。近幾年的研究成果表明，地幔流體可以穿過上地幔及莫霍面，滲透到地殼中而參與成礦。地幔流體具有充足的物質(zhì)儲(chǔ)量、龐大的流體儲(chǔ)庫和穩(wěn)定的熱源供給，因而更有利于形成超大型的礦床和巨大的礦帶。杜樂天（1999）年提出地幔流體成礦作用可分為兩種類型。一類是在拉張環(huán)境下，地幔流體沿深大斷裂上涌至地殼淺部直接成礦；另一類是擠壓環(huán)境下，地幔流體在深部與下地殼巖石相互作用，產(chǎn)生熔融和巖漿作用，之后隨上涌巖漿達(dá)地殼淺部發(fā)生熱液成礦。4）油氣成烴成藏地球化學(xué)研究進(jìn)展油氣地球化學(xué)是用化學(xué)原

15、理研究石油、天然氣的來源、運(yùn)移、聚集與變化的應(yīng)用科學(xué)。20世紀(jì)6070年代已可以斷言，干酪根是油氣生成的主要來源。干酪根：沉積巖中既不溶于含水堿性溶劑，也不溶于普通有機(jī)組分。它泛指一切成油型、成煤型的有機(jī)物質(zhì)，但不包括現(xiàn)代沉積物中的腐殖質(zhì)。圖125塔里木盤地哈得遜區(qū)油氣的運(yùn)移方向略圖示例：圖125是利用含氮化合物分布特征的研究，獲得的塔里木盆地哈得遜區(qū)油氣的運(yùn)移規(guī)律。圖中顯示，“屏蔽”型含氮化合物（G1）以及“屏蔽”型含氮化合物與“暴露”型含氮化合物比值（G1/G3.）均隨運(yùn)移距離增加而增加。含氮化合物作為油氣運(yùn)移方向的指示為看淡工作提供了科學(xué)依據(jù)。示例：天然氣穩(wěn)定同位素動(dòng)力學(xué)研究根據(jù)穩(wěn)定同位

16、素來識(shí)別石油天然氣的特征、演化階段和聚集歷史為天然氣的重要研究?jī)?nèi)容之一。20世紀(jì)90年代中期以來國(guó)際上更多地開展了同位素動(dòng)力學(xué)模型的研究。同位素動(dòng)力學(xué)模型是實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上模擬天然氣形成過程中穩(wěn)定同位素的演化規(guī)律。它能夠吧同位素演化與盆地的熱史、埋葬史有效的聯(lián)系起來，為石油、天然氣聚散過程的恢復(fù)提供手段與方法。但是，同位素動(dòng)力學(xué)研究目前還處于模型發(fā)展階段。不同的學(xué)著從不同的角度建立了各自的模型，在一定程度上解釋了碳同位素的演化規(guī)律。Cramer等（1998,2001）在同位素動(dòng)力學(xué)模型上進(jìn)行了一系列探索。Cramer模型中活化能分布一直采用規(guī)則的離散分布（間隔小于5kJ/mol）；而反應(yīng)速率和產(chǎn)率

17、計(jì)算上有很大的變化。Cramer模型3中碳12甲烷和碳13甲烷的反應(yīng)速率和產(chǎn)率的差別主要體現(xiàn)在反應(yīng)分?jǐn)?shù)上。根據(jù)反應(yīng)速率公式，k=AExp（E/RT）。反應(yīng)分?jǐn)?shù)的不同只影響其產(chǎn)率，而與反應(yīng)速度無關(guān)。5）環(huán)境地球化學(xué)的研究進(jìn)展環(huán)境地球化學(xué)是20世紀(jì)后半期逐漸發(fā)展起來的一門學(xué)科，它研究人類賴以生存的地球環(huán)境化學(xué)組成、化學(xué)作用、化學(xué)演化及環(huán)境與人類相互關(guān)系。一是原生環(huán)境的地球化學(xué)性質(zhì)與植物、動(dòng)物和人體健康的關(guān)系；二是人類活動(dòng)隊(duì)環(huán)境的化學(xué)組成、化學(xué)作用、化學(xué)演化的影響及其環(huán)境效應(yīng)。近代環(huán)境地球化學(xué)的研究重點(diǎn)是地球表層環(huán)境系統(tǒng)中的化學(xué)問題，地球表層環(huán)境系統(tǒng)研究的核心是全球環(huán)境變化，尤其是全球氣候變化以及人

18、類活動(dòng)對(duì)地球表層環(huán)境系統(tǒng)和全球環(huán)境變化的影響。示例：海相碳酸鹽巖鍶同位素組成的演化多年來的研究揭示出，海相碳酸鹽巖中W（87Sr）/w（86Sr）比值有隨巖石年齡發(fā)生線性變化的趨勢(shì)（如下圖）。顯然這是繼承了海水的W（87Sr）/w（86Sr）比值變化。在現(xiàn)代海水中，不管所處的構(gòu)造部位為何，該比值顯得比較恒定，說明該比值不受局部源區(qū)的明顯影響。海相碳酸鹽巖沉積時(shí)與海水處于平衡狀態(tài)，因此，海相碳酸鹽巖的Sr同位素組成可以用來指示海水成分隨時(shí)間變化?？刂坪Ｑ骃r同位素的組成主要因素為河水的成分于海底熱液泉水的成分?，F(xiàn)代海水的W（87Sr）/w（86Sr）比值（0.709）代表大約4份河水（0.711）和1份海底火山水（0.703）的混合物。根據(jù)Condie（1989/的意見造成海水同位素變化的因素包括：1.大陸地表風(fēng)化巖石的成分方面的變化；2.火山活動(dòng)強(qiáng)度的變化；3.能反映造成海底火山來源