表生地球化学作用及元素的地球化学

表生地球化学作用及元素的地球化学行为概念表生风化及成岩作用岩溶地球化学作用冰川地球化学作用微生物地球化学作用稀土元素的地球化学行为表生地球化学作用的概念表生环境是一个在太阳能和重力能驱使下，以内生过程所提供的岩石、矿石为原料，固相、液相、气相共同存在，物理、化学、生物一起作用的一个巨大的多组分的动力学体系。表生地球化学研究的核心任务是研究元素在地球的表层（低温、常压）范围内的迁移、循环和演化过程。其中重点又应该是研究外生和低温的有水参与的地球化学，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建所发生的化学反应，其中又尤其以发生在各界面之间的作用更为重要，一般称之为低稳水－岩体系的地球化学。表生作用从地质年代上看是十分短暂的，但它也是多阶段的。不同的元素在不同自然条件下表现出不同的习性。表生地球化学作用的条件与内生过程截然相反：常温而温变迅速，常压而压力变化幅度小，富含游离氧及二氧化碳，有水的气、液、固三相参加，有生物作用，有广大的自由空间，有人类的直接参与等。为适应这样的条件，化学反应以放热反应为主。完好粗大的晶体被土状物所代替；致密坚硬的岩石变成松散物；无定形物质增多，大分子量及分子不定的物质大量出现；化学反应的可能数目激增，化学元素间的各种过渡性结合形式大量涌现；表生矿物数目大大超过内生矿物，但它们的粒度都很小。此外，生物活动在表生带内的作用也很大。下图是表生迁移的一般途径。固相迁移原生异常物理风化碎屑迁移氧化挥发溶解溶液迁移生物吸收气相迁移沉淀残骸吸附表生异常表生迁移的一般途径表生地球化学作用及元素的地球化学行为概念表生风化及成岩作用沉积地球化学作用岩溶地球化学作用冰川地球化学作用微生物地球化学作用稀土元素的地球化学行为表生风化及成岩作用风化作用主要包括物理风化、化学风化和生物风化。物理风化是风化作用的初级阶段。物理风化的根据，就在于整块岩石或矿石内部物理性质的不均匀性。如个组分的膨胀系数不一，比重不同，节理、解理的存在等等。风化作用就是消除这种物理上的不均匀性，它只能把粒度变小，不能改变岩石的矿物成分及化学组成。物理风化的营力是多种多样的，主要有重力作用、气温变化，冻结与冻溶，盐类的结晶与植物的生长等。物理风化的强度，明显地受绝对绝对高程、相对高差及温度的控制。在高寒山区和极地，物理风化占绝对优势。化学风化实质上就是地表水或大气水中的成分与岩石矿物的化学反应。化学反应在改变原始岩石的矿物成分与化学组成的同时，把岩石粒度进一步变细到粘粒及分子的大小。化学风化必须有水参加，才能使反应有一定的速度；反应产物被水带走，才能使反应一直进行下去。在表生带内发生的各种化学反应主要有以下几类：水解水合反应、氧化还原反应及离子交换反应。生物风化是指由生物作用所引起的物理风化及化学风化。在地球表面最易发生的化学作用就是水—岩作用，而尤以风化过程中的水—岩作用最为典型。已形成的岩石（包括矿石）进入地球表层后，由于环境的物理化学条件发生了变化，为了要与新的环境取得平衡，原有的物质存在形式（包括元素含量和组合、元素的结合方式等）将发生深刻的变化。当环境中的水、水中溶解的阴离子和CO2、O2等于岩石发生作用时，岩石开始发生化学变化，使岩石和矿物的组分、结构彻底被改造。硅酸盐矿物经历化学作用后，形成一系列次生矿物，主要有粘土矿物类及铁、锰、铝的含水氧化物。经化学风化后，一部分元素进入次生矿物，另一部分物质成为可溶物，如碱金属和碱土金属K、Na、Ca、Mg、等以氧离子形式，以及CO32-和SO42-等以阴离子形式溶于水中。一般来说，K+、Mg2+可以被粘土强烈吸附，Ca2+、Na+更容易程离子态溶于水中被迁移。表生地球化学作用及元素的地球化学行为概念表生风化及成岩作用岩溶地球化学作用冰川地球化学作用微生物地球化学作用稀土元素的地球化学行为岩溶地球化学作用在岩溶地质条件下，岩石的元素通过岩溶地球化学过程向水中迁移,使水流中溶解有大量的离子。其大部分随水流带走,一部分伴随水循环在岩溶环境中再分配,造成特殊的岩溶环境。因此,石山环境中元素的分布特征主要取决于岩溶地球化学的正向迁移。碳-水-钙循环构成的岩溶动力过程驱动岩溶环境的元素迁移,并制约元素迁移的质和量。在弱岩溶动力作用下,可溶性元素迁移,难溶元素在环境中相对富集;在强岩溶作用条件下,岩石的碳酸盐成分迅速溶解并以很高的浓度迁移,难溶的Fe、Si、Al、P、Mn元素在岩溶水中也有一定的含量,因此元素迁移对岩溶动力条件具有敏感性。碳酸盐岩背景的元素迁移造成富钙的环境,由此影响其它元素的迁移,但岩石中元素的高背景值仍可促进生态环境中该类元素的富集。岩溶地球化学作用表生地球化学作用及元素的地球化学行为概念表生风化及成岩作用岩溶地球化学作用冰川地球化学作用微生物地球化学作用稀土元素的地球化学行为冰川地球化学作用（1）极地冰川随着人类社会的快速发展,人类活动已经成为影响地球环境中化学元素再分配的重要因素.作为评价人类活动对地球大气环境影响的良好指标,重金属元素在极地和山地冰川地区雪冰中的含量变化引起了科学家的极大关注.重金属元素的自然本底很低,通过恢复这些元素在偏远地区的历史记录可以研究大气中重金属污染的历史和规模,探讨污染物质的来源和中长距离的输送过程.现有的研究发现,格陵兰现代降水中的Ｐｂ,Ｃｕ,Ｚｎ,Ｃｄ和Ｈｇ等元素主要来自人为源,表明格陵兰大气环境中重金属的自然循环过程已经受到人类活动的严重影响,主要原因是格陵兰距离欧亚和北美地区的工业区较近,并且每年的12月至翌年的4月存在一个强大的南北向空气输送,有利于污染物向格陵兰地区输送.Mulvaney和Wolff(1994)研究了南极冰盖主要杂质的空间分布特征后指出,尽管NO-3的浓度与海拔高度和积累速率有一定的关系,但在整个冰盖上的分布仍趋一致。Cl-浓度值随离岸距离的增大而减小,如果高程变化不大,其衰减趋势缓慢;ssSO2-4的浓度变化趋势类似Cl-。南极冰盖绝大部分雪冰化学资料仅限于冰盖边缘地区,南极冰盖内陆高原上,此类资料仍很匮乏。最近,秦大河(1995)对横贯南极冰盖现代降水中的化学分析结果表明,非海盐离子(MSA、Ca2+和nssSO2-4)通量在内陆腹地分布均匀,但海盐离子却呈“西高、东低”、即“西南极洲高、东南极洲低”态势,说明了冰盖不同地区降水汽团的来源不同,这与过量氘(exD)的分析结论一致;NO-3的来源与高层大气中的电离层作用有密切的关系;重金属Pb含量的分析表明,西南极洲现代降水中Pb的浓度为80年代末期“本底”值,而前苏联东方站到和平站间出现较高值,系人类活动结果。就Pb的“本底”浓度而言,西南极洲现代降水中Pb的浓度8×10-12～12×10-12g·g-1,已明显高于Peel(1989)的2.3×10-12～6.3×10-12g·g-1之值,说明时隔不到十年,人类活动为主造成的全球Pb污染,已波及到南极洲这块世界最干净的大陆。（2）山地冰川山地冰川发育在中低纬度地区,冰川湖泊沉积物的地球化学研究可以反映第四纪气候及环境的变迁。对地区以及更大的范围内的气候变化进行预测。一号冰川Ca/Mg湖泊中自生CaCO3含量的增加,反映了较为温湿的环境,高温的环境中,水体中的浮游生物光合作用加强消耗的CO2增多,化学反应Ca2++HCO3=CaCO3+CO2平衡向右移动,导致CaCO3含量升高.所以湖泊中CaCO3的含量是一个反映温度高低的重要指标.对于方解石来讲,外源碎屑带入湖泊的成分和内生成分难以区分.但是因为Ca(Mg)CO3一般不是内生沉淀的,而是仅仅由外源物质注入,所以可用CaO/MgO来表示湖泊内生CaCO3的含量,该比值偏高,则表明当时较温暖的环境.另外Al2O3在沉积物中的含量一般比较稳定,用其含量可校正陆源碎屑输入的变化,因此CaO/(MgO+Al2O3)可以用来表示CaCO3内生含量的相对高低,从而反映温度的变化.Fe/Mn影响湖泊沉积物Fe和Mn含量的因素很多,其中以集水区的地质背景和植被状态,尤其是水体的氧化还原条件最为重要Fe,Mn都是变价元素,对环境的氧化还原性质反应敏感.由于Mn与O的亲和力明显低于Fe与O的亲和力沉积过程中易发生Fe,Mn分离,Fe先沉淀导致Fe/Mn比值偏高,并可藉此指示水深。随着气候向暖干方向发展,湖泊水位下降,氧化程度加强,Fe会先于Mn发生大量沉积.所以Fe/Mn值的高值表示暖干气候条件下湖平面降低的阶段.表生地球化学作用及元素的地球化学行为概念表生风化及成岩作用岩溶地球化学作用冰川地球化学作用微生物地球化学作用稀土元素的地球化学行为微生物地球化学微生物地球化学是研究微生物与地球表层自然环境之间的各种生化作用,以揭示自然界元素循环的物理、化学现象的科学,即研究微生物生化作用在不同时空尺度上参与地球表层各圈层的化学组成、循环、演变的历史过程和规律的科学.微生物地球化学主要是各种与微生物及矿物有关的元素微生物的循环演化过程和机制。微生物的（碳、氮、硫、铁、锰等元素）的循环，存在于在地表的风化作用、沉积成岩、各种有机质及金属矿床、矿源层的形成过程中。生物风化作用主要体现在微观上矿物的分解与元素的迁移。特别是植物生长时从土壤中吸收了大量金属元素(包括金),在植物死亡后,不仅将大量金属非金属元素截留回地表,而且植物腐烂产生的腐殖酸对土壤中化学元素的迁移和富集成矿起着重要作用。在东北森林沼泽景观区的一、二、三级水系中均有大量砂金矿床分布,这些砂金矿床在成因上均与腐殖酸有着密切的关系。微生物地球化学尽管具有有利的一面，微生物对土壤矿物所造成的强烈的风化作用，使土壤中大量可溶性盐类六十，并导致该地区土壤酸化，养料缺失，不利于植物的生长；微生物造成的风化作用有事还产生环境污染，如硝化细菌可以使土壤汇总不断产生硝酸盐，如果渗入地下水中，不仅减少了土壤中的氮元素，还造成了地下水的污染。表生地球化学作用及元素的地球化学行为概念表生风化及成岩作用岩溶地球化学作用冰川地球化学作用微生物地球化学作用稀土元素的地球化学行为元素的地球化学行为从理论上讲,地球化学异常的产生并不是孤立的,它的存在与元素的性质相关。在实验体系中,Li、Na、K、Rb、Cs同属于碱金属,化学性质相似,但在地球化学体系中,由于受原始丰度等的影响,它们的地球化学行为有很大的差别:Na、K为造岩元素,Li、Cs、Rb为稀有元素,Li、Cs只有在少数条件下才能形成独立矿物,而Rb在地壳中尚未发现有独立矿物。所以确切地说,地球化学异常与元素的地球化学性质有关,特别与土壤、水系沉积物、岩屑等介质的次生地球化学及元素的表生地球化学性质有很大的关系。稀土元素的地球化学行为REE是了解和研究地球表生过程的一个重要手段。稀土元素(REE)以其独特的稳定性和相似性存在于自然界之中,但由于整体收缩效应和个别元素特定的化学性质,在自然界中又反映出不同的个体行为。同时,由于不同的表生水源具有不同酸碱度和含有不同的离子及有机质成分,以及物源环境和岩性的差异,这对稀土元素的溶解、迁移和再分配起着决定性的作用。随着岩石的不同,赋存其中的具体稀土元素种类、含量和方式也有所不同。稀土元素在矿物和岩石中的不同分配,决定了其抗风化能力的差异,以及由于风化产物不同所导致的REE的重新分配和再迁移。大气环境、围岩成分和地下水的循环以及地表水的交换,决定了淋滤液的离子成分、酸碱度、离子电位和活化度的差异,从而决定了REE的淋失强度和分馏效应。风化作用的强弱导致残留矿物种类和颗粒大小的不同,较强的风化使残留矿物颗粒变细,粘土成分增强,REE容易以离子状态和胶粒悬浮状态发生迁移,相反则使REE成分发生残留,特别是石榴子石和辉石等抗风化矿物。稀土元素的迁移方式地表水多为(弱)酸性和弱碱性.所含阴离子成分以HCO3-,CO32-、HPO42-、PO43-、Cl-等为主，同时溶有少量的SO42-和F-为各种金属阳离子的溶解迁移提供了丰富的配位