高等地球化学

高等地球化学读书报告

关键词：地球化学研究方法同位素

摘要：主要介绍了地球化学的研究方法，研究领域以及解决的一些问题，着重介绍了同位素地球化学。

地球化学是研究地球的化学组成、化学作用和化学演化的科学，它是地质学与化学、物理学相结合而产生和发展起来的边缘学科。作为一门独立的学科，地球化学的研究对象是地球中的原子，研究地球系统中元素及同位素的组成，元素的共生组合和赋存形式问题，元素的迁移和循环，地球的历史和演化。其学科特点是研究的主要物质系统是地球、地壳及地质作用体系。着重研究地球系统物质运动中物质的化学运动规律。研究原子的自然历史，必然联系到元素自身的性质及其所处的热动力学条件。与有关学科密切结合和相互渗透，使得地球化学的研究范畴不断扩大，并繁衍出众多分支学科。运用学科自身的知识、理论、研究思路和工作方法研究矿产资源、资源利用以及农田、畜牧、环境保护等多方面的问题。我国地球化学工作主要开始于20世纪50年代，最初是进行大规模的土壤分散流和基岩地球化学测量。20世纪80年代至今，随着我国地球化学专业队伍的迅速扩大，一批新的地球化学研究所和研究中心相继建立，并建立了一批具有先进测试设备和技术的实验室和计算中心。成矿作用地球化学、勘查地球化学、同位素地球化学、微疾元素地球化学、实验地球化学、环境地球化学、有机地球化学以及陨石化学、宇宙化学、岩石圈地球化学等多领域的研究已全面展开，目前我国地球化学研究已逐渐进入到与国际合作研究并同步发展的阶段。

一．基本内容

地球化学主要研究地球和地质体中元素及其同位素的组成，定量地测定元素及其同位素在地球各个部分(如水圈、气圈、生物圈、岩石圈)和地质体中的分布；研究地球表面和内部及某些天体中进行的化学作用，揭示元素及其同位素的迁移、富集和分散规律；研究地球乃至天体的化学演化，即研究地球各个部分，如

大气圈、水圈、地壳、地幔、地核中和各种岩类以及各种地质体中化学元素的平衡、旋回，在时间和空间上的变化规律。

基于研究对象和手段不同，地球化学形成了一些分支学科。

同位素地球化学是根据自然界的核衰变、裂变及其他核反应过程所引起的同位素变异，以及物理、化学和生物过程引起的同位素分馏，研究天体、地球以及各种地质体的形成时间、物质来源与演化历史。同位素地质年代学已建立了一整套同位素年龄测定方法，为地球与天体的演化提供了重要的时间坐标。

元素地球化学是从岩石等天然样品中化学元素含量与组合出发，研究各个元素在地球各部分以及宇宙天体中的分布、迁移与演化。在矿产资源研究中，元素地球化学发挥了重要作用，微量元素地球化学研究提供了成岩、成矿作用的地球化学指示剂，并为成岩、成矿作用的定量模型奠定了基础。

有机地球化学是研究自然界产出的有机质的组成、结构、性质、空间分布、在地球历史中的演化规律以及它们参与地质作用对元素分散富集的影响。生命起源的研究就是有机地球化学的重要内容之一。有机地球化学建立的一套生油指标，为油气的寻找和评价提供了重要手段。

环境地球化学是研究人类生存环境的化学组成化学作用、化学演化及其与人类的相互关系，以及人类活动对环境状态的影响及相应对策。环境地球化学揭示了某些疾病的地区性分布特征及其与环境要素间的关系。

矿床地球化学是研究矿床的化学组成、化学作用和化学演化。着重探讨成矿的时间、物理化学条件、矿质来源和机理等问题。它综合元素地球化学、同位素地球化学、勘查地球化学和实验地球化学等分支学科的研究方法和成果，为矿产的寻找、评价、开发利用服务。

区域地球化学是研究一定地区某些地质体和圈层的化学组成、化学作用和化学演化，以及元素、同位素的循环、再分配、富集和分散的规律。它为解决区域各类基础地质问题、区域成矿规律和找矿问题以及区域地球化学分区与环境评价等服务。区域地球化学揭示的元素在空间分布的不均匀性，为划分元素地球化学区和成矿远景区提供了依据.

勘查地球化学是通过对成矿元素和相关元素在不同地质体及区带的含量和分布研究，找出异常地段，以便缩小和确定找矿及勘探对象。除直接为矿产资源

服务外，它也是环境评价及国土规划的重要参考。

当前地球化学的研究正在经历三个较大的转变：由大陆转向海洋；由地表、地壳转向地壳深部、地幔；由地球转向球外空间。地球化学的分析测试手段也将更为精确快速，微量、超微量分析测试技术的发展，将可获得超微区范围内和超微量样品中元素、同位素分布和组成资料。低温地球化学、地球化学动力学、超高压地球化学、稀有气体地球化学、比较行星学等很有发展前景。

二．研究方法

地球化学综合了地质学、化学和物理学等的基本研究方法和技术，形成的一套较为完整和系统的研究方法。包括：野外地质观察、采样；天然样品的元素、同位素组成分析和存在状态研究；元素迁移、富集地球化学过程的实验模拟等。在思维方法上，对大量自然现象的观察资料和岩石、矿物中元素含量分析数据的综合整理，广泛采用归纳法，得出规律，建立各种模型，用文字或图表来表达，称为模式原则。随着研究资料的积累和地球化学基础理论的成熟和完善，特别是地球化学过程实验模拟方法的建立，地球化学研究方法由定性转入定量化、参数化，大大加深了对自然作用机制的理解。现代地球化学广泛引入精密科学的理论和思维方法研究自然地质现象，如量子力学、化学热力学、化学动力学、核子物理学等，以及电子计算技术的应用使地球化学提高了推断能力和预测水平。在此基础上编制了一系列的地质和成矿作用的多元多维相图，建立了许多代表性矿床类型成矿作用的定量模型和勘查找矿的计算机评价和预测方法。

三．同位素地球化学

同位素地球化学是研究自然体系种同位素的形成，丰度及在自然作用中分馏喝衰变规律的科学。它研究的基本思路是：在地球系统作用过程形成宏观地质体的同时，还发生了同位素成分的变异，这种变异记录着地球物质作用发生的时间和条件。同位素地球化学为研究地球或宇宙体的成因和演化，主要包括地质时钟、地球热源、大气圈—海洋的相互作用、壳幔相互作用及壳幔演化、成岩成矿作用、构造作用及古气候和古环境记录等方面提供了重要的有价值的信息，为地球科学从定性到定量的发展做出了重要贡献，在解决地球科学重大基础问题上发挥了重要作用。

分馏系数表示同位素的分馏程度，反映了两种物质或两种物相之间同位素相

对富集或亏损程度。在自然界，分馏系数是指两种矿物或两种物相之间的同位素比值之商。

稳定同位素地球化学研究同位素在天然物质中的组成和变化规律，并用于解决地质和地球化学问题。由于同一元素的稳定同位素质量不同，它们在物理-化学和热力学性质上就存在一定的差异，特别是氢、氧、碳、硅等质量较小的元素，同位素间的相对质量差较大，在自然界各种物理、化学作用过程中有可能发生明显的同位素分馏，因此，自然物质中同位素组成的变异是物理化学条件的反映。

氧同位素地球化学

自然界氧有3个稳定同位素16O、17O和18O，它们的丰度分别为99.762％、0.038％和0.200％。氧同位素的地质应用最广泛，包括：①氧同位素地质温度计。应用实验的方法，首先测定矿物与水的分馏数据，再计算矿物与矿物之间的分馏数据，得出分馏系数与温度的关系式。氧同位素地质温度计中石英－磁铁矿矿物对是最灵敏的,因为石英的 18O/16O比值大,磁铁矿的比值较小，所以石英－磁铁矿之间具有最大的分馏系数和温度系数(指温度每变化 1℃时分馏系数的改变量)。②古海洋温度计。通过测定生物化石碳酸钙壳层与水之间的氧同位素组成来确定古海洋的温度。③判断成矿热液的来源和矿床成因及岩石成因等。

硫同位素地球化学

在自然界。硫的分布非常广，硫有4个稳定同位素32S，33S,34S，36S.硫同位素的变化包含着大量的地质作用信息。

硫同位素之间相对质量差较大，在自然过程中它们的分馏效应较明显。目前已知硫同位素比值的变差范围可达160%。陨石中δ34S =0±2‰，变差范围较小，代表地球形成初期的硫同位素组成，这是考查自然硫同位素成分变化的一个基点。沉积岩中δ34S变差范围最大，代表硫同位素的最大分馏效应。

硫同位素分馏分为化学动力分馏，生物动力分馏，和平衡分馏。

碳同位素地球化学

研究天然物质中碳同位素的丰度、变异规律及其地质意义。自然界碳有 2个稳定同位素12C和13C，它们的丰度分别为98.89％和1.11％。碳同位素组成以δ13C表示，标准采用 PDB（见稳定同位素地球化学）。天然物质中δ13C 的分布如图天然物质中的碳同位素组成所示。由图天然物质中的碳同位素组成看出，δ13C的最低值见于天然气甲烷,为-90‰；最高值出现于碳质球粒陨石中，为+70‰。所以天然物质中δ13C的变化幅度达160‰。

四．结束语

地球化学有广阔的研究领域，可以说任何一个人穷其一生的努力也不可能成为地球化学所有领域的专家。目前随着世界经济的进一步发展，资源缺乏、环境污染、人口、疾病等问题进一步加剧，地球化学必将有更为宽广的发展空间。

参考文献：

1.韩吟文马振东《地球化学》地质出版社

2.夏邦栋《普通地质学》地质出版社

3.罗光强，耿元波《同位素在草地生态系统碳循环中的应用与展望》

中国科学院地理科学与资源研究所，北京

4.张景廉，刘小琦《碳同位素与油气物源示踪》

中国石油天然气总公司西北地质研究所，兰州，

5.陈锦石，闻传芬，钟华《古生代海洋碳同位素演化》

中国科学院地质研究所