表生地球化學(xué)作用及元素的地球化學(xué)

1、表生地球化學(xué)作用及元素的地球化學(xué)行為,概念 表生風(fēng)化及成巖作用 巖溶地球化學(xué)作用 冰川地球化學(xué)作用 微生物地球化學(xué)作用 稀土元素的地球化學(xué)行為,表生地球化學(xué)作用的概念,表生環(huán)境是一個(gè)在太陽(yáng)能和重力能驅(qū)使下，以?xún)?nèi)生過(guò)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(xué)、生物一起作用的一個(gè)巨大的多組分的動(dòng)力學(xué)體系。 表生地球化學(xué)研究的核心任務(wù)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(guò)程。其中重點(diǎn)又應(yīng)該是研究外生和低溫的有水參與的地球化學(xué)，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(xué)反應(yīng)，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(chēng)

2、之為低穩(wěn)水巖體系的地球化學(xué)。,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(xí)性。表生地球化學(xué)作用的條件與內(nèi)生過(guò)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(lèi)的直接參與等。為適應(yīng)這樣的條件，化學(xué)反應(yīng)以放熱反應(yīng)為主。完好粗大的晶體被土狀物所代替；致密堅(jiān)硬的巖石變成松散物；無(wú)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(xué)反應(yīng)的可能數(shù)目激增，化學(xué)元素間的各種過(guò)渡性結(jié)合形式大量涌現(xiàn)；表生礦物數(shù)目大大超過(guò)內(nèi)生礦物，但它們的粒度都很小 。此外，生物活動(dòng)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(xué)作用及元素的地球化學(xué)行為,概念 表生風(fēng)化及成巖作用 沉積地球化學(xué)作用 巖溶地球化學(xué)作用 冰川地球化學(xué)作用 微生物地球化學(xué)作用 稀土元素的地球化學(xué)行為,表生風(fēng)化及成巖作用,風(fēng)化作用主要包括物理風(fēng)化、化學(xué)風(fēng)化和生物風(fēng)化。 物理風(fēng)化是風(fēng)化作用的初級(jí)階段。物理風(fēng)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(gè)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(fēng)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(xué)組成。物理風(fēng)化的營(yíng)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(lèi)的結(jié)晶與

4、植物的生長(zhǎng)等。物理風(fēng)化的強(qiáng)度，明顯地受絕對(duì)絕對(duì)高程、相對(duì)高差及溫度的控制。在高寒山區(qū)和極地，物理風(fēng)化占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。,化學(xué)風(fēng)化實(shí)質(zhì)上就是地表水或大氣水中的成分與巖石礦物的化學(xué)反應(yīng)?；瘜W(xué)反應(yīng)在改變?cè)紟r石的礦物成分與化學(xué)組成的同時(shí)，把巖石粒度進(jìn)一步變細(xì)到粘粒及分子的大小。 化學(xué)風(fēng)化必須有水參加，才能使反應(yīng)有一定的速度；反應(yīng)產(chǎn)物被水帶走，才能使反應(yīng)一直進(jìn)行下去。在表生帶內(nèi)發(fā)生的各種化學(xué)反應(yīng)主要有以下幾類(lèi)：水解水合反應(yīng)、氧化還原反應(yīng)及離子交換反應(yīng)。 生物風(fēng)化是指由生物作用所引起的物理風(fēng)化及化學(xué)風(fēng)化。,在地球表面最易發(fā)生的化學(xué)作用就是水巖作用，而尤以風(fēng)化過(guò)程中的水巖作用最為典型。 已形成的巖石（包括礦石）

5、進(jìn)入地球表層后，由于環(huán)境的物理化學(xué)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(dāng)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(shí)，巖石開(kāi)始發(fā)生化學(xué)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(xué)作用后，形成一系列次生礦物，主要有粘土礦物類(lèi)及鐵、錳、鋁的含水氧化物。經(jīng)化學(xué)風(fēng)化后，一部分元素進(jìn)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(lái)說(shuō)，K+、Mg2+可以被粘土強(qiáng)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(xué)作用及元素的地球化學(xué)行為,概念 表生風(fēng)化及成巖作用 巖溶地球化學(xué)作用 冰川地球化學(xué)作用 微生物地球化學(xué)作用 稀土元素的地球化學(xué)行為,巖溶地球化學(xué)作用,在巖溶地質(zhì)條件下，巖石的元素通過(guò)巖溶地球化學(xué)過(guò)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(xué)的正向遷移。,碳-水-鈣循環(huán)構(gòu)成的巖溶動(dòng)力過(guò)程驅(qū)動(dòng)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(dòng)力作用下,可溶性元素遷移,難溶元素在環(huán)境中相對(duì)富集;在強(qiáng)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(duì)巖溶動(dòng)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(jìn)生態(tài)環(huán)境中該類(lèi)元素的富集。,巖溶地球化學(xué)作用,表生地球化學(xué)作用及元素的地球化學(xué)行為,概念 表生風(fēng)化及成巖作用 巖溶地球化學(xué)作用 冰川地球化學(xué)作用 微生物地球化學(xué)作用 稀土元素的地球化學(xué)行為,冰川地球化學(xué)作用,（1）極地冰川 隨著人類(lèi)社會(huì)的快速發(fā)展,人類(lèi)活動(dòng)已經(jīng)成為影響地球環(huán)境中化學(xué)元素再分配的重要因素.作為評(píng)價(jià)人類(lèi)活動(dòng)對(duì)地球大氣環(huán)境影響的良好指標(biāo),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(xué)家的極大關(guān)注.重金屬元素的自然本底很低,通過(guò)恢復(fù)這些元素在偏遠(yuǎn)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(lái)源和中長(zhǎng)距離的輸送過(guò)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(lái)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(guò)程已經(jīng)受到人類(lèi)活動(dòng)的嚴(yán)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(gè)強(qiáng)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(guān)系,但在整個(gè)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(shì)緩慢;ssSO2-4的濃度變化趨勢(shì)類(lèi)似Cl-。南極冰蓋絕大部分雪冰化學(xué)資料僅限于冰蓋邊緣地區(qū),南極冰蓋內(nèi)陸高原上,此類(lèi)資料仍很匱乏。最近,秦大河(1995)對(duì)橫貫?zāi)蠘O冰蓋現(xiàn)代降水中的化學(xué)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(shì),說(shuō)明了冰蓋不同地區(qū)降水汽團(tuán)的來(lái)源不同,這與過(guò)量氘(exD)的分析結(jié)論一致;NO-3的來(lái)源與高層大氣中的電離層作用有密切的關(guān)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(lèi)活動(dòng)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(shuō)明時(shí)隔不到十年,人類(lèi)活動(dòng)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(xué)研究可以反映第四紀(jì)氣候及環(huán)境的變遷。對(duì)地區(qū)以及更大的范圍內(nèi)的氣候變化進(jìn)行預(yù)測(cè)。,一號(hào)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(qiáng) 消耗

11、的 CO2 增多,化學(xué)反應(yīng) Ca2+HCO3=CaCO3+CO2 平衡向右移動(dòng),導(dǎo)致CaCO3含量升高. 所以湖泊中 CaCO3 的含量是一個(gè)反映溫度高低的重要指標(biāo).對(duì)于方解石來(lái)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?yàn)镃a(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(lái)表示湖泊內(nèi)生 CaCO3的含量,該比值偏高,則表明當(dāng)時(shí)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(lái)表示 CaCO3內(nèi)生含量的相對(duì)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(jià)元素, 對(duì)環(huán)境的氧化還原性質(zhì)反應(yīng)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(guò)程中易發(fā)生Fe,Mn分離,Fe先沉淀導(dǎo)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(qiáng),Fe會(huì)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(xué)作用及元素的地球化學(xué)行為,概念 表生風(fēng)化及成巖作用 巖溶地球化學(xué)作用 冰川地球化學(xué)作用 微生物地球化學(xué)作用 稀土元素的地球化學(xué)行為,微生物地球化學(xué),微生物地球化學(xué)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(xué)現(xiàn)象的科學(xué),即研究微生物生化作用在不同時(shí)空尺度上參與地球表層各圈層的化學(xué)組成、循環(huán)、演變的歷史過(guò)程和規(guī)律的科學(xué). 微生物地球化學(xué)主要是各種與微生物及礦物有關(guān)的元素微生物的循環(huán)演化過(guò)程和機(jī)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(fēng)化作用、沉積成巖、各種有機(jī)質(zhì)及金屬礦床、礦源層的形成過(guò)程中 。,生物風(fēng)化作用主要體現(xiàn)在微觀(guān)上礦物的分解與元素的遷移。特別是植物生長(zhǎng)時(shí)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(duì)土壤中化學(xué)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(guān)區(qū)的一、二、三級(jí)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(guān)系。,微生物地球化學(xué),盡管具有有利的一面，微生物對(duì)土壤礦物所造成的強(qiáng)烈的風(fēng)化作用，使土壤中大量可溶性鹽類(lèi)六十，并導(dǎo)致該地區(qū)土壤酸化，養(yǎng)料缺失，不利于植物的生長(zhǎng)；微生物造成的風(fēng)化作用有事還產(chǎn)生環(huán)境污染，如硝化細(xì)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(xué)作用及元素的地球化學(xué)行為,概念 表生風(fēng)化及成巖作用 巖溶地球化學(xué)作用 冰川地球化學(xué)作用 微生物地球化學(xué)作用 稀土元素的地球化學(xué)行為,元素的地球化學(xué)行為,從理論

15、上講,地球化學(xué)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(guān)。在實(shí)驗(yàn)體系中,Li、Na、K、Rb、Cs同屬于堿金屬,化學(xué)性質(zhì)相似,但在地球化學(xué)體系中,由于受原始豐度等的影響,它們的地球化學(xué)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(dú)立礦物,而Rb在地殼中尚未發(fā)現(xiàn)有獨(dú)立礦物。所以確切地說(shuō),地球化學(xué)異常與元素的地球化學(xué)性質(zhì)有關(guān),特別與土壤、水系沉積物、巖屑等介質(zhì)的次生地球化學(xué)及元素的表生地球化學(xué)性質(zhì)有很大的關(guān)系。,稀土元素的地球化學(xué)行為,REE是了解和研究地球表生過(guò)程的一個(gè)重要手段。稀土元素(REE)以其獨(dú)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(yīng)和個(gè)別元素特定的化學(xué)性質(zhì),在自然界中又反映出不同的個(gè)體行為。同時(shí),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(jī)質(zhì)成分,以及物源環(huán)境和巖性的差異,這對(duì)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(lèi)、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(fēng)化能力的差異,以及由于風(fēng)化產(chǎn)物不同所導(dǎo)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(qiáng)度和分餾效應(yīng)。 風(fēng)化作用的強(qiáng)弱導(dǎo)致殘留礦物種類(lèi)和顆粒大小的不同

17、,較強(qiáng)的風(fēng)化使殘留礦物顆粒變細(xì),粘土成分增強(qiáng),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(fēng)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(shí)溶有少量的SO42-和F-為各種金屬陽(yáng)離子的溶解遷移提供了豐富的配位體。大量有關(guān)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(wú)機(jī)酸根絡(luò)合物和自由離子是地下水中REE的主要存在方式；碳酸根絡(luò)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(luò)合物相對(duì)于LREE更為富集。 許多研究結(jié)果也表明，風(fēng)化過(guò)程中稀土可以HCO3- ,SO42-、HPO4-、N03-、Cl- ,F-等無(wú)機(jī)酸根絡(luò)合物、輕基配合物或自由離子的形式遷移。同時(shí)，有機(jī)質(zhì)或通過(guò)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(jī)絡(luò)離子的形式遷移REE.風(fēng)化殼中各類(lèi)有機(jī)物與稀土離子的絡(luò)合更穩(wěn)定，使稀土從原巖(礦物)中脫出、遷移的能力比無(wú)機(jī)