硕士研究生课程-环境地球化学作业

《环境地球化学》课程论文

（2013-2014学年第2学期）论文成绩：

《环境地球化学》读书报告

学生姓名：

学院：环境与资源学院

年级：2013级

专业：环境科学

学号：

日期：2014年7月

环境地球化学——读书报告

在何江老师的教学指导下，本学期的地球化学课程已圆满结束。通过一学期的学习，我不仅学到了地球化学的相关理论知识，更了解到了地球化学的理论和方法在对找矿、评价和开发中的重要应用价值。

地球是个复杂的物质体系，几个世纪以来各学科从不同角度来认识地球的过去和现在。地球化学侧重从地球及其组成部分的化学成分和化学运动的角度来认识地球。地球化学是关于地球和太阳系的化学成分及化学演化的一门科学，它包括了与它有关的一切科学的化学方面。

一、地球化学概念及其学科性质

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、物理化学、现代分析测试相结合而产生和发展起来的边缘学科。自20世纪70年代中期以来，地球化学和地质学、地球物理学已成为固体地球科学的三大支柱。它的研究范围也从地球扩展到月球和太阳系的其他天体。地球化学的理论和方法，对矿产的寻找、评价和开发，农业发展和环境科学等有重要意义。地球科学基础理论的一些重大研究成果，如界限事件、洋底扩张、岩石圈演化等均与地球化学的研究有关。

地球化学的一些重大成果是各分支学科综合研究的结果。如陨石、月岩与地球形成的同位素年龄的一致，表明太阳系各成员形成独立宇宙体的时间是大致相同的。又如微量元素和同位素研究，导致发现地幔组成的不均一性(垂向的和区域的)，提出了双层地幔模型，加深了对地球内部的认识。天体化学、微量元素和同位素地球化学研究，还为新灾变论提供了依据。

二、地球化学的研究思路和方法

地球化学已形成了自己的独立的研究思路与研究方法。

地球化学的基本研究思路可以概括为以下三个方面：①自然过程形成宏观地质体的同时也留下微观踪迹，其中包括许多地球化学信息，这些微观踪迹中包含着重要的地球化学演化信息，地球化学就是通过研究这些微观踪迹来追索地球历史的；②自然界物质的运动和存在状态是环境和体系介质条件的函数，地球化学

将任何自然过程看成是热力学过程，应用现代科技理论来解释自然体系化学变化的原因和条件，使有可能在更深层次上探讨和认识自然作用的机制；③地球化学问题必须置于其子系统（区域岩石壳、幔）中进行分析，一系统的组成和状态来约束作用过程的特征和元素行为。

地球化学的基本研究方法可概括如下：①明确研究目标和任务，制定计划；

②现场研究（在野外对地质体等进行研究，并收集地球化学样品）；③室内分析、测试、鉴定；④理论分析（数据整理、综合分析）和模拟研究（实验和计算机模拟），即正序研究：⑤归纳、讨论：针对目标和任务进行归纳、结合已有研究成果进行讨论。

由于地质作用规模宏大、时间持久、有用复杂，且多次作用叠加，地球化学研究必须观察和分析多种变量，确立多层次的指标，才有可能追踪地球的历史。

三、地球化学研究的问题及其应用意义

围绕原子在自然环境中的变化及意义，结合本学期地球化学的学习，总结出六个地球化学研究的问题及其应用意义。如下分别论述：

1、地球系统中元素的组成问题（既丰度）

通常将元素在宇宙体或较大的地球化学体系中的平均含量称为丰度。元素在地壳中的丰度又称为克拉克值。元素克拉克值影响着元素参加地球化学过程的浓度，支配着元素的地球化学行为。

地壳元素丰度的研究意义主要分为以下四个方面：

（1）为研究地球的形成、化学分异及地球、地壳元素的成因等重大基础问题提供信息；

（2）确定了地壳体系的总特征：只有在地壳化学组成、地壳物理化学条件限定下的化学作用才能发生，如地壳中矿物的种类有限；

（3）以元素克拉克值为基础，可获得地壳中不同元素平均含量间的比值，地质体中相应比值的变化，可提供某些重要的地球化学作用信息（如成矿作用信息、交代作用信息、物质来源信息等）。

（4）作为地壳体系内各种化学过程的总背景：可将元素克拉克值作为衡量元素相对富集或贫化的标尺（在克拉克值研究的基础上，产生了“浓度克拉克

值”和“浓集系数”的概念）；

①“浓度克拉克值”：地质体中研究元素的含量与克拉克值之比，反映元素在地质体中的浓集程度，是衡量元素集中和分散的良好标尺，在地球化学理论研究和在找矿实践中都具有重要意义。

②“浓集系数”：元素在矿床中的最低可采品位与克拉克值之比，如Fe的浓集系数为6，说明Fe在克拉克值的水平上富集6倍即可成矿。许多稀有元素具有极高的浓集系数，如Bi的浓集系数为2500。Hg的浓集系数为1400。

2、地球系统中元素的结合规律与赋存形式

自然界没有孤立的原子，原子都是以一定的形式结合并组合存在。在不同的岩石、矿物中元素的组合方式千变万化，但在同一类型的岩石中特定的元素又总是相伴出现，这反映自然界元素之间的结合是有一定规律的，它对元素在自然界的存在形式和迁移都有重要影响。

元素结合的主要规律有以下几种：①元素的地球化学亲和性、②矿物晶体形成和变化过程的类质同像法则、③晶体场理论的控制。

主量元素和微量元素间都可以发生类质同相，它们决定了自然界几乎没有纯化合物。类质同象的地球化学意义主要由以下七条：

①类质同像是支配地壳中元素共生组合的一个重要因素，特别是微量元素和常量元素间的制约、依赖关系。如元素在不同类型岩石中的分配特征。

②决定了元素在共生矿物间的分配

③支配微量元素在交代过程中的行为。在热液作用下常发生交代变质过程，此时系统是开放的，有元素的迁出和带入，在主量元素发生迁移的同时，与主量元素发生类质同相的元素也会发生相似的迁移运动。

④类质同相的元素比值可作为地质作用过程和地质体成因标志等。

⑤标型元素组合：矿物中含有大量类质同像的“杂质”，同一种矿物在某一特定的成因下只富含某些特征的类质同像元素组合（像人体指纹），这种组合可以推断矿物的形成环境，称标型元素组合。

⑥支配微量元素在矿物岩石中的分配，影响微量元素的集中或分散。

⑦对环境的影响。

元素的赋存形式主要有：独立矿物、类质同象、超显微非结构混入物、吸附、

与有机质结合。同一种元素的不同存在形式，表现出不同的地球化学行为。又如矿产资源的可利用性，元素的存在形式有时比元素的含量更有意义。如在超基性岩中镍的含量一般较高，但即使达到矿床的工业品味，也不等于其就有开采价值。因为如果镍存在于硅酸盐中，其基本不能被应用，但如果镍一硫化物形式存在，就有良好的利用价值了。

3、地球系统的化学作用和元素的迁移

元素的结合关系和存在形式不是一成不变的，元素存在形式变化的过程就是化学作用。元素存在形式发生变化时若伴随发生空间位移，就发生了元素的迁移。

地球系统中化学作用的类型主要有五种: ①水-岩化学作用；②熔浆和熔-岩化学作用；③有机化学作用；④水-气化学作用；⑤岩-岩化学作用。

元素的地球化学迁移：当环境的物理化学条件发生变化时，为了与环境达到新的平衡，元素原来的存在形式自动解体，转变成一种新的相对稳定的结合方式，在元素赋存状态发生变化的同时，伴随有元素的空间位移和元素组合的变化时，称为元素的地球化学迁移。

应用实例研究：

1、元素迁移和高温成矿作用研究——巴尔苏科夫对锡矿脉的研究

实验结果：pH>8时SnO2大量溶解，锡可能以[Sn(F、OH)6]2- 形式迁移；

pH ? 7.5 时，SnO2析出，同时释放出HF ；

结论：由实验结果分析锡的成矿过程为：Na2[Sn（F、OH）6]2-- →SnO2＋HF＋2Na（OH）

通过地质-地球化学工作和实验研究，将成矿过程归纳成三个阶段：（1）在T>300?C、pH>8的条件下花岗岩发生自变质——在钠长石化的同时，部分黑云母发生白云母化，并析出Fe、Mg、Sn，析出的Sn转入溶液以氟锡络合物形式存在。

（2）络合物在T>300?C、pH>8的热液中稳定上升迁移。

（3）随温度降低和pH值降低，络合物水解析出锡石，释放出的Na+ 、F--迁移到围岩中，在围岩中生成萤石、黄玉、毒砂、电气石等矿物。

2、高温交代变质作用

变质作用按系统的开放性分为区域变质作用和交代变质作用。前者在变质作

用过程中系统的化学组成基本不变（近似封闭体系），后者则在变质过程中系统的组成会发生变化（开放体系）。交代变质作用是典型的水岩化学作用，在高温条件下更活跃。

（1）矽卡岩化——在酸性和中酸性岩浆岩和碳酸岩的接触带上，通过发生交代作用生成矽卡岩的过程，称为矽卡岩化。交代作用既可以发生在灰岩（外接触带）中，也可以发生在岩浆岩（内接触带）中。矽卡岩化前后，内外接触带的成分都有变化。

（2）热液蚀变──深源热液的组成与围岩的成分差异较大时，其间会发生物质成分的交换，通过围岩成分的变化（即通常所说的围岩蚀变）可以判断曾发生过水岩交代作用过程。

4、地球化学热力学与动力学

热力学是研究过程热效应的科学，也就是研究过程能量变化和转化的科学。地球系统内的任何运动无不与能量有关，地球系统内的化学作用也无时无处不受热力学基本规律的控制。因此，要认识地球化学过程的作用机制，就应将热力学的研究成果应用于地球化学作用过程的研究。

从动力学角度理解，元素的地球化学迁移不仅包括元素物理化学状态的转变和空间的运动，还应包含能量的输运以及动量的传递。如岩浆的上侵活动、热液向围岩中流动等，不但带来了大量的物质而且带来了热量以及巨大的机械能。因此加热了围岩、躯动了孔隙溶液的活动，以致造成围岩断裂破碎等。物质和能量的带入造成了体系的高度不平衡状态，导致一系列的地球化学反应。因此，研究元素的迁移必须与动力学环境联系起来。物质和能量的输运构成元素迁移作用的重大控制因素。

水溶液中元素的迁移主要有两种方式：扩散和渗滤。

（1）渗滤迁移的特征和意义：①渗滤迁移时元素随溶液整体迁移，往往可以迁移较远，渗滤迁移引起的成矿、成晕的蚀变带较宽；②由于存在过滤效应，当元素间的过滤效应系数不同时将导致元素分带：溶液前锋浓集ψ值大的元素；尾部浓集ψ值小的元素。

（2）扩散作用的研究意义：扩散是自然界最广泛的物质迁移方式，在成矿、成晕和围岩蚀变过程中，当岩石的裂隙不发育、溶液流动不畅时，扩散迁移起主

导作用。

5、微量元素地球化学

微量元素地球化学是地球化学的重要分支学科之一，是研究微量元素在地球中的分布、化学作用及化学演化的科学。微量元素可作为地质、地球化学过程示踪剂，在解决当代地球科学面临的基本理论问题——天体、地球、生命、人类和元素的起源及演化，提供充足的资源和良好的生存环境等方面将发挥越来越重要的作用。

它表明在温度、压力恒定的条件下，微量元素i (溶质)在两相分配达平衡时其浓度比为一常数(KD)。KD亦称为分配系数，或称能斯特分配系数，它与溶质的浓度无关（在一定浓度范围内），只受温度、压力的限定。

分配系数的应用如下：

1、定量研究元素分配——元素分配的微观理论（离子半径、电价等）只能定性地解释元素的分配关系；应用分配系数可以计算共生平衡矿物中的分配量。

2、为成矿分析提供了理论依据——元素在共存相间分配的不均匀分配是元素浓集的重要机制之一。

3、判断成岩和成矿过程的平衡——在各相处于平衡时，元素在共存矿物间的分配系数，当温度、压力固定时为一常数。为此，可利用来作为检验自然过程是否达到平衡的标志。

4、微量元素地质温度计

分配系数（KD）与体系温度的倒数成线型关系：lnKD=-(ΔH/RT)+B

在实测时，测出ΔH和B值（由不同温度条件下测得分配系数值，用最小二乘法计算出ΔH和B值）。在适用范围内ΔH可看作常数，理想的地质温度计应具有尽可能大的ΔH值。

5、微量元素地质压力计

在恒温条件下，分配系数与压力的关系为ln KD/ p=-ΔV0/RT。

该式是微量元素地质压力计的理论基础。在理论上微量元素压力计应用于ΔH小和ΔV大的反应。为此，在选择实验对象时应注意这点。

6、指示沉积环境——在沉积环境研究中，可以利用微量元素含量、比值变化来研究沉积相盐度及氧化还原环境。根据元素（同位素）的地球化学行为导致的微观变化，对沉积环境的判别和沉积物源的确定具有重要指示意义。

7、岩浆作用过程微量元素分配和演化定量模型的研究

（1）岩浆结晶作用过程(矿物从熔体中的结晶)主要有：

①平衡结晶——矿物晶体与熔体始终保持平衡，结晶的晶体无环带。

②分异结晶（表面平衡）——矿物与熔体只是表面平衡，因微量元素在晶体中的扩散要比在熔体中慢得多，使得微量元素在晶体边缘和晶体核部分布不均一，只有晶体边部与熔体达到平衡，而晶体内部与熔体不平衡。则形成晶体的环带状构造。为此，推导出瑞利分馏定律。

研究意义：①定量研究岩浆结过程中微量元素的化学演化②分析成矿问题（2）部分熔融作用过程——在整个部分熔融过程中，熔体与残留固体始终保持平衡，直到熔体离去，这种熔融称批次熔融, 又称平衡熔融或一次熔融。

研究意义：①定量分析元素的集中与贫化程度、②对分析成矿作用具有理论意义、③可分析岩浆源区的化学特征及岩石成因

8、岩浆形成机制的研究

由岩浆演化过程元素的行为，可用以下标志判断岩浆的形成机制

结晶分异部分熔融相容元素（Ni、Co、Cr）含量变化大含量变化小不相容元素比值（Sr/Ba、La/Sm）比值变化小比值变化大

9、判断岩石的成因

如：二辉岩有两种成因，一种是变质成因，另一种是岩浆成因，在不同成因的二辉岩中，Mg在两种辉石间的分配系数上不一样的，前者的分配系数在0.57左右，后者在0.73上下。

稀土元素的地球化学应用如下：

（1）岩石成因——花岗岩分类：I、S、M、A型

（2）变质岩原岩恢复——现有研究表明，在角闪岩相和麻粒岩相的变质条件下，变质岩的稀土元素含量可能发生一些变化，但其稀土元素的组成模式不会发生变化，因此，利用稀土元素的组成模式可恢复变质岩的原岩。另外，也可以

设计稀土元素的其它图解来恢复变质岩的原岩（如REE—La/Yb图解）。

（3）研究地壳演化——W.B.Nance和S.R.T aylor等人系统研究了澳大利亚从太古代→元古代→三迭纪的沉积岩(页岩)的稀土组成及演化特征，并与世界其它地区作了对比，根据稀土组成模式的特点探讨了地壳成分及其演化。

（4）成岩成矿构造环境的判别

由于不同构造环境的物质、热源、物理化学条件及动力学机制等方面存在差异，形成岩石的微量元素含量与组合（包括同位素组成）有较明显的不同。

（5）地球灾变事件的微量元素地球化学证据

6、同位素地球化学

同位素地球化学在研究地球或宇宙体的成因与演化，主要包括地质时钟、地球热源、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，提供了重要有价值的信息，为地球科学的发展作出了重要贡献。6.1 同位素地质年代学

利用自然界放射性衰变规律研究测定各种地质体的形成时代的同位素记时方法。它根据放射性同位素衰变规律确定地质体形成时间和地质事件发生的时代,以研究地球和行星物质的形成历史和演化规律。

具体应用方法主要有：Rb-Sr法年龄测定、Sm-Nd法年龄测定、U-Th-Pb法年龄测定、Pb-Pb法年龄测定、K-Ar法年龄测定、40Ar-39Ar法年龄测定、14C 法年龄测定等。裂变径迹（FT）、不平衡U系、热发光等方法适用年轻地质体系的年龄测定；新近发展起来的Lu-Hf和Re-Os法同位素体系研究除用于定年外，其Hf和Os同位素初始比值还可广泛用于地质示踪。

同位素年代学的地质意义：同位素年代学现已成为地球科学中一项基础工作。是宇宙的起源、月球-陨石-地球等天体演化、地质年代表的编制、前寒武纪岩石的测年、地壳运动旋回的规律性，区域地质年表及成矿时代，成矿期的划分等研究不可缺少的手段之一。同位素地质年代学提供了较精确的全球统一的地质年表。使寒武纪以后（显生宙）生物地层学定量化，为解决前寒武纪（隐生宙）地质时代的划分及对比提供了依据。1964年以来公布的有代表性的后寒武纪地质年代表显示，不同地区的数据有惊人的相似性，说明世界各地地质变动历史有同步性，地质历史上的重大事件在全球是接近同期的。

6.2 稳定同位素地球化学

近年来，稳定同位素地球化学已同位素分馏理论原理为基础，将重点从同位素平衡体系转向非平衡体系，激光探针同位素分析技术的日渐成熟。有大大促进了应用研究。目前，稳定同位素正向着地球科学的各个领域渗透。主要应用如下：

①氧同位素测温：可分为二类：外部测温法和内部测温法。

外部测温法是根据矿物-水体系中同位素分馏系数α矿物-水及计温方程参数直接确定矿物与流体相间的平衡温度。

内部测温法是指当岩浆岩或变质岩形成时，二共生矿物达到平衡，则二矿物的δ18O之间存在一个平衡态差值，并由α矿物-矿物及计温方程计算出二矿物间的平衡温度。

②氢氧同位素的示踪应用：a.确定成矿液体的来源及矿床成因；b.确定岩石的成因：氧同位素研究可有效利确定火成岩的物质来源，并据此进行岩石成因类型的划分。

③硫同位素的地球化学应用：设计地质温度计、分析矿床成因、判断岩石的成因

④碳同位素的示踪意义：地幔去气作用碳同位素示踪、热液体系中碳的来源、确定原油的形成环境、界线地层碳同位素示踪、地-气交换过程中的碳同位素示踪。

四、地球化学简史、现状及展望

1、建立阶段：20世纪20-30年代，地球化学三大奠基学派

1）美国克拉克（F.W.Clarke）主要贡献──地壳元素丰度，1925年发表了第一个地壳元素丰度表；(实验地球化学)；

2）挪威哥尔德斯密特（V.M.Goldschemidt）主要贡献──元素结合规律，提出了类质同象规律；变质作用地球化学，提出了相平衡规律；及个别元素地球化学等；

3）苏联维尔纳斯基（B.N.Bephagckuu）主要贡献──元素分布、共生和迁移；生物地球化学和放射性同位素地球化学等，费尔斯曼（A.E. epcmah）主要贡献──理论地球化学、区域地球化学和矿床地球化学等。

二次大战至今：由地质学的分支学科发展成为地球科学的三大分子学科之一，由解决矿藏-资源问题到解决地球科学问题。

2、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。现代地球化学发展趋势：①由经验性研究向理论化方向发展；②由定性研究向定量化方向发展；③由单一研究向综合研究方向发展；④参与自然科学中重大问题的研究。

五、结语

此次读书报告的编写，使我跟好更系统地掌握了地球化学的基本知识，更加深刻地认识了地球化学这门学科，更详细系统地了解及学习到了地球化学在地质工作中的实际应用意义，让我更加深了对这门课的学习兴趣。