表生地球化学研究现状及进展

2002年第1期 矿　产　与　地　质第16卷2002年2月M I N ERAL R ESOU RCES AND GEOLO GY总第88期

表生地球化学研究现状及进展①

王瑞廷1,2,欧阳建平3

(1.西北大学地质系,陕西西安　710069;2.西北有色地质勘查局,陕西西安710054;3.中国地质大学地球科学学院,湖北武汉430074)

摘　要:在界定表生地球化学研究对象及内容的基础上,总结了表生地球化学的五种研究方

法,其中非常规研究方法将占据重要地位,整体论是各种研究方法的基础。同时,对国内外表生

地球化学研究的现状及进展进行综述与分析。区分了狭义表生地球化学与广义表生地球化学

的研究范围,提出二者协调与整合发展是21世纪表生地球化学研究发展的趋势,也是其在地

球系统科学研究和实施“可持续发展”战略中发挥重要作用的关键。

关键词:表生地球化学;表生作用;表生带;表生系统

中图分类号:P596 文献标识码:A 文章编号:1001-5663(2002)01-0061-04

表生地球化学是研究地球表生作用带的化学组成、化学作用和化学演化的一门地球化学分支学科。地球表生带是指地球上大气圈、水圈、生物圈与岩石圈相互作用、接触渗透的界面(即具有一定厚度的界面层)。表生地质作用就发生在这一多圈层交错重叠带内,在该界面内表生地质系统与周围环境不断地进行着能量、物质与信息的交换,表生地质系统是指在地表或近地表条件下由于大气降水和生物等过程作用于原始岩体或矿体而产生风化带的地质系统。该系统是一个开放的、复杂的非线性系统,远非内生条件下所能比拟,这也是表生地球化学研究的一个特点。

1　表生地球化学的研究对象、内容及方法

1.1　表生地球化学的研究对象和内容

表生地球化学是地球化学中一门古老而崭新的分支学科,其核心就是研究地表景观中化学元素的迁移过程和机制。表生地球化学的研究内容十分广泛。它的研究对象是地球的表生带。Fatrb ridge认为地下潜水面以上及以下一小部分属于表生作用的范围[4]。近年来,廖士范认为表生作用分上、下两个带,地下水潜水面以上属表生作用氧化改造带,地下水潜水面以下200～300m以内属表生作用还原改造带,本文中表生作用带即指这一范围。

一般来讲,表生地球化学主要研究元素在表生带的分布、分配、迁移及演化规律和机制。表生成矿地球化学(即狭义的表生地球化学)只是其中的一个重要研究领域。由于表生地球化学环境相对于内生而言要复杂得多,广义表生地球化学研究是多学科的,涉及到自然地理学、土壤学、微生物学、植物学、地质学、生态学、环境科学和气象科学等。它重点研究表生带常温常压有水参与的地球化学,即“外生的或低温的有水参与的地球化学”(R.M.Garrels),包括在地球表面大气圈、生物圈、海洋和水体中以及与其接触的岩石间所发生的化学反应,其中尤以发生在各个界面之间的化学作用为主,也称为常温水岩体系地球化学。常温富水环境对原生岩石的改造是表生地球化学作用的基本问题。表生(作用)地球化学是指大气圈、水圈和生物圈的形成和演化以及它们与岩石圈相互作用的地球化学,它包括风化淋滤作用、海水沉积及成岩成矿作用、生命的起源和演化以及地表生态环境的平衡等几方面的问题。这一定义具有普适性,它涵盖了狭义和广义表生地球化学。表(外)生作用体系所处的物理化学环境与内生地质作用体系统完全不同,其特征可归纳如下[13]:

①低压和低而速变的温度:地表压力范围在101325～2026500Pa之间,地表温度变化幅度为-75℃～+85℃,某些近地表环境,如成岩作用带温度可达100℃～200℃,故表生环境总的温差达300℃。

②富氧和充足的二氧化碳环境:大气圈P o2=

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①收稿日期:2001-09-07　作者简介:王瑞廷(1969-　),男,博士研究生,主要从事矿床地质化学及矿产勘查研究。

基金项目:地质矿产部重点方法技术项目(96012002)和西北有色地质勘查局人才基金。

21278125Pa,P CO

2

=30140Pa,在与大气接触的界面上有无限供给的氧化剂和碳酸。

③开放的过量水体系:水是表生反应的介质及良好的溶剂与搬运剂,水岩反应在地表地球化学作用中具有典型意义。

④生物和有机体参加:生物地球化学作用在表生带较发育。

⑤胶体体系发育:物质颗粒的分散相比是表生地球化学作用的特点之一,在水媒作用下形成广泛发育的、几乎为表生环境所持有的胶体体系,而物质呈胶体状态对元素的迁移活动有重要意义。

各物质相界面是表生化学反应最强烈的地段,以下界面具有重要意义:气—水—岩(或水—岩)界面、气—水界面、水—沉积物界面、生物—岩石界面、水—海底喷发岩界面等。其中水—岩界面最为典型,远离该界面向下化学反应强度减弱,造成表生地球化学作用的垂直分带性和按反应发育程度区分的阶段性。地球表层的含水流体上有多源性,它可以来自大气降水、大洋水、岩浆水、变质水、同生水和初生水等。表生带的元素在这些含水流体的作用下在上述各界面可发生不同程度的活化,。

1.2　表生地球化学的研究方法

地球化学与整个地球科学领域一样在迅速发展,研究方法已从传统的静态定性(半定量)描述、个例分析研究,进入到了动态、定量、系统综合研究阶段,即模式化阶段。J.A.C.福帝斯丘提出环境地球化学的整体论方法及环境地球化学哲学的四类分级组织,即空间等级层次、时间等级层次、化学复杂性等级层次和科研工作等级层次,这对于表生地球化学的研究方法具有重要而实际的指导意义。从微观与宏观两方面,深入研究地质过程的内在动力机制及外在表现形式,并不断提出假说,建立模式,同时在实践中不断纠正和完善。表生地球化学的研究方法也不例外,在继承元素地球化学、勘查地球化学、矿床地球化学等相关学科的传统研究方法的基础上,更多地借鉴地理学、生态学、土壤学等相关学科的研究方法,并引入系统论、信息论、复杂性科学等新的研究理论,结合现代高新技术,全面、深入地研究地球表生带这一多角度、多层次、多介质、多系统、多作用的动态开放体系。但是所有这些研究方法都应基于整体化的思想。目前,表生地球化学的研究方法初步可归纳为以下几种:

①勘查地球化学研究方法:以表生介质(土壤和水系沉积物)为取样对象,通过表生地球化学异常的研究,认识元素在表生带的分散、迁移、富集规律。

②分析、测试及实验模拟方法:运用现代分析测试技术,研究元素的含量、存在形式(即元素存在的化合态、性态、价态和相态)等,或室内实验模拟某一表生地质作用过程,以深入了解不同元素或同一元素不同赋存相态的表生作用机制及元素表生迁移的形态变化。

③土壤学、医学地理学、生态化学地理学、农业地球化学、环境地球化学、环境生命元素学等相关学科的研究方法:多学科交叉协同,深入分析表生带元素行为的医学效应、生态效应、环境效应及对农作物生长的影响,总结元素表生作用的地域分异规律。因为表生带是一个多变的复杂体系,干湿条件、生物变化与人类活动都会引起不同环境介质特别是沙沉积物的pH值、Eh值的改变,促使许多金属元素价态、化合态与结合态的变化,进而会改变元素的表生环境化学行为与生态环境特性。这就需要多学科的共同研究。

④运用高新技术的研究方法:在表生地球化学研究中,利用计算机技术、4S(GPS、G IS、R S、ES)技术、数字地质技术等现代高新技术,对表生作用及表生地球化学循环进行数字模拟,从对其建立概念模型、物理模型,过渡到建立数学模型,以进行精细的定量研究。

⑤非常规研究方法:於崇文先生指出,地质现象的本质与核心是地质作用与时空结构,故这一方法对于揭示表生作用及其时空演化具有重要意义。即表生地质系统是自组织演化发展的,具有内在的非线性反馈机制。故以地球系统科学为背景,以非线性科学、复杂性科学为指导,以表生系统或表生作用体系为研究对象,把耗散结构论、协同论、突变论、分形几何学、混沌动力学及自组织理论等新的科学思想和方法引入到表生地球化学研究中来,按照不同的时空尺度,研究表生作用过程、表生地球化学动力学、表生地球化学热力学、表生成矿作用动力学、表生带物质交换与循环、表生作用与全球环境变化、表生带元素分异演化的时空结构、表生地球化学工程(有时需考虑人文因素)、表生景观生态学、表生作用与内生作用耦合的动力学机制学,这是表生地球化学研究中不可缺少的重要方法,也是21世纪推动表生地球化学深入发展所必需的。

2　表生地球化学的研究现状及进展

近年来,国外普遍加强了表生作用下与矿化有关元素地球化学行为的研究,把它作为沟通原生异常与次生异常的桥梁。1981年,著名的勘查地球化学家P.K.T heobald曾撰文论述准确评价隐伏矿体引起的表生地球化学异常所具有的重大意义。80年代中期以来,各国的勘查地球化学家对表生地球化学作用特征作了详细研究,发表了许多研究成果,总的看来,

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表生地球化学研究工作主要集中在以下五个方面:①不同地质地理条件下元素表生地球化学作用特征研究;②表生带疏松物质中元素存在状态研究;③景观地球化学方法技术的深入研究;④表生作用下元素及其重矿物的性状和元素分散行为的研究;⑤原生异常与次生异常之间相互关系研究②。目前国外表生地球化学研究基本上形成了各具特色的两大学派:以美国、加拿大、澳大利亚为代表的西方学派和前苏联学派。西方学派注意对不同地质地球化学条件下成矿元素及其伴生元素表生地球化学迁移过程的研究,同时对偏提取技术的开发应用给予重视,用以确定表生异常的评价准则。J.A.P lan t等较全面地总结了截止80年代末期西方的表生地球化学研究工作,认为碎屑物质、胶体物质、沉积物和可溶性组份的比例及其成分在不同表生环境下其表现各不相同。并提出用Ir、R EE、Ga A l、K R b、B a R b、Se S、B Ga比值等指标来度量元素的表生活动性。如可用Ir来确定PEC、N i、Co、Cu等在基性岩风过程中活化迁移的范围。前苏联学派偏重于基础理论研究,并创立了景观地球化学。1980年,A.N.彼列尔曼指出,表生作用地球化学是勘查地球化学方法的理论基础之一,并提出了找矿勘探中运用表生地球化学规律的两条重要原则:①区别对待原则,即按不同的景观地球化学条件分别运用各自的元素表生迁移规律,这样才能取得较好的找矿效果;②历史地球化学原则,即研究异常形成的历史、过程,恢复异常发育史,在此基础上评价异常。同时,他认为地球化学障是研究表生地球化学异常形成过程的基础方法之一,并把地球化学障分为四种基本类型:①物理—化学障;②机械障;③生物地球化学障;

④人类活动障。

另外,国外还有一些学者从表生风化过程动力学、微生物过程动力学、微生物地球化学、岩石风化程度、污染治理、医学地理学等方面进行了广义的表生地球化学研究。但对于计算表生地球化学、表生地球化学动力学及表生作用的时空结构及演化等方面的研究,国内外都比较薄弱,这些方面应是今后表生地球化学发展的重要领域。

我国的表生地球化学研究工作起步较晚,系统的研究工作始于70年代末,任天祥等首先在我国各景观区进行了区域化探的方法试验,并取得良好的效果。继之,许多学者分别从矿床氧化带研究、表生异常特征及评价、土壤表生地球化学特征、表生成矿系统及生物成矿作用、表生带水岩作用动力学、医学、环境地球化学、低温地球化学、风化成矿作用等方面开展了表生地球化学研究工作,发表了大量的论文及专著。笔者提出把地球景观特征作为表生地球化学异常评价指标之一,并构建了不同景观区金、铜的表生地球化学异常评价指标体系。关广岳等研究认为,在地球表层氧化环境中形成的气-水-固系统内,机械的、物理的、化学的和生物的综合成矿作用对各类地质体中各种元素起到分化瓦解、活化迁移和流失集聚等形形色色的演变过程,在这些过程中,影响元素表生成矿的主要物理化学因素包括温度、水、酸-碱反应及氧化-还原反应、大气中氧及二氧化碳的作用、胶体及吸附作用和有机质的作用等,并探讨了生态与矿态的关系问题。这对于研究表生动力成矿系统有重要意义。总之,我国目前的表生地球化学研究的范围和规模还较小,在新世纪应结合我国具体的表生环境特征,选准科学问题,单科深入,多科交叉,微观细化,宏观扩大,使我国表生地球化学的理论研究与应用技术在实施“科教兴国”及“可持续发展”战略中发挥其最大作用。

3　表生地球化学研究展望

在21世纪,随着地质科学系统的重大变革,表生地球化学将在不断满足人类社会发展需求的进程中,获得更大的发展。在矿产资源勘查方面,狭义表生地球化学通过成矿元素表生作用地球化学的研究和元素迁移机制、异常形成机理的研究,将革新勘查地球化学方法技术(如在高寒山区、热带、干旱荒漠区、黄土覆盖区等特殊景观条件下的矿产普查勘探技术),促进寻找隐伏矿。1995年澳大利亚成立了景观演化与矿产勘查联合研究中心,其宗旨是通过对景观演化的深入研究,寻找在厚层风化壳地区勘查隐伏矿床的新技术与新方法,并已开展了深入研究工作,说明国外对这方面高度重视。国内在原来研究的基础上,也开始了包括本项目在内的更深层次的探索。在另一方面,广义表生地球化学与环境资源科学及可持续发展技术密切相关,今后它将在全球变化、环境保护、农业发展、资源开发、医学地理等方面获得较大的发展。同时,土壤圈作为气圈、水圈、生物圈与岩石圈的交接界面,它既是这些圈层的支撑者,又是它们长期共同作用的产物,其中的表生作用复杂多样,因此,表生地球化学也将在防治水土流失、合理利用土地、国土规划及整治方法发挥重要作用,随着研究的深入展开必将推动地球表层物质科学的进步,并与其它众多学科融汇复合,从而形成新的研究领域和学科生长点。

总之,表生作用是地壳中最复杂和最活跃的地质作用过程,它涉及土壤圈、水圈、大气圈、刚性岩石圈和生物圈(含人类)之间的相互作用,应以整体论的方法研究表生作用体系中的具体问题,以适应科学发

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②吴伟璧,施俊法,陈玉明,等.国外区域化探异常评价方法. 1994,48253。

展,尽管我国目前在表生地球化学研究方面还较薄弱,也存在诸如表生成矿问题研究较多,多学科协同研究较少等问题,不适应地球化学要把以岩石圈为主的传统研究领域外延到以生物圈为主,包括大气圈、水圈在内的地球表层的战略调整,远不能满足地球科学发展和社会进步的需要,但在新世纪只要方法得当,目标明确,扬长避短,协作奋进,把从地质地球化学角度进行的狭义的表生地球化学研究拓展到涉及油气成因、矿床形成、生物地质学、气候演变、人地关系、农业生产、环境保护、全球变化、减灾防灾等诸多领域的广义的表生地球化学研究,使二者协调发展,共同为人类社会的可持续发展服务,我国表生地球化学研究必将会跃上一个新的台阶!

2000年8月在巴西召开的以“地质科学与可持续发展——第三个千年的挑战”为主题的第31届国际地质大会上,与会代表一致认为新世纪地质科学的服务方向和社会功能将更加深入的转向环境和减灾,一个人类与自然和谐相处,生态协调进化的地球是人们共同追求的目标。在实现这一目标的进程中表生地球化学会日益发挥其重要作用,并促使其自身得到不断的完善和发展。

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THE SITUAT I ON AND PROGRESS OF SUPERGEN I C GEOCHE M ISTRY

W AN G R i2ting1,2,OU YAN G J ian2p ing3

(1.D ep a rt m en t of Geology,N orthw est U n iversity,S hanx i X i’an710069,Ch ina;2.B u reau of E xp lora tion f or

N onf errous M eta ls in N orthw est,S hanx i X i’an710054,Ch ina;3.D ep a rt m en t of Geosciences,Ch ina U n iversity

of Geosciences,H ubei W uhan430074,Ch ina)

Abstract:O n the basis of bounding the ob ject and con ten t of sup ergen ic geochem istry,the five research m eth2 ods of sup ergen ic geochem istry are p ri m arily summ ed up.A ho lis m is though t a basis of all m ethods.A t the sam e ti m e,the situati on and p rogress of the sup ergen ic geochem istry in ab road and hom e are stated and ana2 lyzed.O n the difference of study range betw een sp ecial and general sup ergen ic geochem istry,it is suggested that the tendency of the sup ergen ic geochem istry in the21st cen tu ry is to in tegrate and to develop bo th sp e2 cial and general sup ergen ic geochem istry harm on i ou sly.T h is is also a key w ay to p lay a i m po rtan t ro le of the sup ergen ic geochem istry in the earth system science research w o rk and the strategy of su stainab le develop2 m en t.

Key W ords:Sup ergen ic geochem istry;Sup ergenesis;Sup ergen ic belt;Sup ergen ic system 46