海洋地球化学沉积学应用

海洋地球化学沉积学应用海洋地球化学是研究海洋中化学物质的含量、分布、形态、转移和通量的学科。它是地球化学中以海洋为主体的一个分支，也是化学海洋学的主体。海洋地球化学在六十年代就已经成熟起来。它已经从少数海洋化学家仅为解决物理的或生物学的问题而进行海水的化学分析,改变为海洋化学家参与并领导世界范围的海洋考察。七十年代以来，由于象地球化学海洋断面研究计划(GEOSECS)这样长期而大尺度的全面考察和CEPEX之类的受控试验研究，使得海洋地球化学得到迅速发展。海洋沉积地球化学是海洋地球化学在海洋沉积学中的运用，是研究海洋沉积物的化学组成、化学作用和化学演化的学科。主要研究内容是：元素的物质来源、含量、组合、分布及其存在形式；元素的迁移运动方式、沉积的物理化学环境以及控制发生沉积的各种化学机理；各类沉积物的化学特征和元素的分散与富集规律；沉积物与海水之间的物质交换与平衡；成岩成矿过程中元素的行为和再分配以及元素的演化史；研究与海洋沉积地球化学有关的各种分析方法、测试技术和模拟实验等。海洋沉积地球化学的研究既是海洋沉积学的重要内容，也是的组成部分，它是海洋沉积学和海洋地球化学之间的一门边缘学科。海洋沉积地球化学的研究对寻找和评价海洋沉积矿产有指导作用；海洋中有害元素沉积地球化学的研究可对海洋环境保护提供科学依据，由于现代海洋是古海洋“天然的模拟实验室”，故现代海洋沉积地球化学的研究可以“将今论古”；有机沉积地球化学的研究，又可以探索石油成因甚至生命起源问题。研究简史1891年和A.F.勒纳尔对1872～1876年时所采集的沉积物及锰结核进行了若干化学成分的分析与研究，这标志着海洋沉积地球化学研究的开始。至20世纪50年代，又有十多次重要的深海考察，也陆续发表了沉积物化学成分的资料，使海洋沉积地球化学的研究不断进展。50年代以来，随着对开发海洋矿产资源的重视和科学技术的提高，海洋沉积地球化学获得了长足的发展，其表现为：①采用一系列新的测试技术（如原子吸收分光光度分析、能谱分析、质谱分析、色谱分析、电子探针分析、中子活化分析等）测定更多的元素，其中包括大量的微量元素和同位素；②从主要研究沉积物的化学成分，发展为研究化学作用和化学演化；③在开展深海大洋研究的同时，广泛开展了陆架浅海沉积地球化学的研究；④对具有经济价值的大洋锰结核的地球化学进行了大力研究。海洋沉积地球化学的研究内容主要包括四个方面：元素地球化学的研究、矿产地球化学的研究、有机地球化学的研究、同位素地球化学的研究、海洋沉积环境地球化学的研究、成岩作用地球化学的研究元素地球化学的研究包括海洋沉积物中元素的丰度、来源、搬运形式、沉积机理和沉积后的变化。元素的丰度特征是地球化学最基本的特征之一，不同沉积环境所生成的沉积物具有不同的丰度，如沉积物中元素丰度分布的模式不同于大洋沉积物元素丰度分布的模式，前者呈现Eu的负异常，后者呈现Ce的负异常和Cu的正异常等。1961年美国K.K.涂尔坎和德国K.H.韦德波尔发表了深海沉积物中60余种化学元素丰度的定量资料，这是对60年代以前深海沉积物中元素地球化学工作的一个基本总结。60年代以后陆架浅海沉积元素地球化学的研究工作也积极开展起来，相继取得了一些元素含量和分布的资料。研究表明，海洋中的化学元素，主要来自大陆、、、宇宙、大气等；元素的搬运形式有碎屑态、胶体态、真溶液态和吸附态；元素的沉积机理有重力沉积、化学沉积和生物沉积等；元素沉积后仍可发生迁移，一直到趋于新的地球化学平衡。当前结合矿产资源、环境保护和生物资源的调查研究，对元素地球化学的详细研究多集中在对成矿元素、有害元素和营养元素上。显然，提高元素分析的灵敏度和准确度，进而分析沉积物各种组分中元素的含量，是海洋沉积元素地球化学研究朝纵深发展的方向。矿产地球化学的研究寻找和评价海底沉积矿产是海洋沉积地球化学研究的主要目的之一。现代海底矿产有锰结核、磷结核、多金属硫化物、海底砂矿等，其中特别是地球化学的研究因其具有潜在的巨大经济意义而日益广泛和深入。已测定锰结核中50余种化学成分，对锰结核的地球化学特征取得了若干重要的认识：①富含Mn、Cu、Ni等金属,具有经济价值的结核,主要分布于太平洋，而印度洋和大西洋较少；②有价值的锰结核产于沉积速率低的地区；③结核化学成分有明显的区域性变化，有些地区结核富Fe、Co，有些地区结核富Mn、Cu、Ni；④结核的生长速率极其缓慢，一般约为4毫米/10年,仅为其伴生沉积物沉积速率的千分之一左右。但影响结核生长和成分变化的主要机制、海底火山及热泉对Mn、Fe、Cu、Co、Ni等金属元素的贡献、生物地球化学作用在结核形成中的意义、结核分布与海底扩张板块构造的关系以及结核不被伴生沉积物埋藏的原因等，都是急待解决的问题。为了实地深入研究大洋锰结核的地球化学，已经研制成功“锰结核研究海底着陆器”（见彩图[研究锰结核的海底着陆器]、[深海锰结核矿球]、[海底多金属硫化物矿石]），利用该种装置可在海底实地研究沉积物-结核-海水界面化学和生物的作用以及这些作用与结核形成的内在联系。此外，对以磷为主的磷酸盐结核和富含Sn、Ti、Zr、稀土等元素的海底砂矿，也不断进行研究。与海底热泉有关的深海多金属硫化物矿床，近年来尤其引人注目。这种矿床富含Zn、Cu、Co、Pb、Fe、Mn、Cd、Ag、Au等多种金属，常分布于海底扩张带或火山区附近，其上覆盖着一层高温高盐的热卤水，关于热水的来源以及多金属硫化物的成因等，都是海洋沉积矿产地球化学研究的新课题。有机地球化学的研究有机成分和无机成分共同组成沉积物的物质成分。在沉积物和沉积岩中已发现500多种有机化合物。除研究有机成分的含量和分布规律外，有机地球化学的研究主要集中在以下几个课题：①研究沉积物中有机质向烃的转化，探讨石油的成因，一般认为有机质经过一系列改造形成干酪根，干酪根在成岩过程中经过热解生成烃。有些学者成功地从现代海洋沉积物中分离鉴定出类似于原油的微量烃类化合物，从而支持了有机成油的观点。②研究有机质在元素迁移、富集中的作用。该作用基本有三：一是与某些元素形成络合物迁移、富集；二是吸附一些元素迁移、富集；三是有机质经常造成还原环境而引起某些元素的迁移、富集。③关于有机化合物的应用研究。例如，利用氨基酸的外消旋化作用测定沉积物的年代和沉积时的古温度；利用一系列属于陆地成因的有机化合物（包括苝、烷烃、二萜类等）去探讨现代深海浊流沉积的成因等。海洋沉积有机地球化学的研究比无机成分的研究较缓，加强对有机碳的成因、演化模式的研究，并将其与生命起源的重大理论问题结合起来具有重要意义。同位素地球化学的研究沉积物中的放射性同位素遵循一定的衰变规律，因而可作为天然的地质时钟测定沉积物的年龄，并进而计算沉积速率。测年的方法诸如14C法，230Th法，231Pa/230Th法，230Th/232Th法，226Ra法，210Pb法，10Be法，234U/235U法，40K/40Ar法等（见海洋沉积物同位素年代测定）。其次利用某些相对短寿命的同位素可以测定发生于海底表层沉积物的混合作用，如根据210Pb(半衰期为22.3年)可以测定深海大洋的混合层厚度及混合速率；根据234Th（半衰期为24.1天）可以测定陆架浅海的混合层厚度及混合速率。此外还有用同位素作为示踪剂研究沉积物与海水之间元素的物质通量与平衡。除了上述放射性同位素外，近年沉积物中稳定同位素的研究已蒸蒸日上，碳、氧、硫的同位素除用于判别海陆相沉积和物质来源外，更重要的是还可利用18O/16O、2H/1H比值测定沉积时的古温度(见核素在海洋学中的应用)，利用13C/12C比值可测定生物的生产力。各种同位素方法的研究，多数尚属于探索阶段，而且有些方法有一定的局限性，因此不断深入开展同位素地球化学的研究，有着广阔的前景海洋沉积环境地球化学的研究沉积的物理化学环境对元素的迁移、存在形式、演化等方面有着制约的关系。在现代海洋条件下，介质的酸碱度(pH)和氧化还原条件(Eh)明显控制元素的分布，因此通常研究pH、Eh及若干变价元素（如Fe、Mn、U等）用于指示沉积环境的酸碱度和氧化还原状况。其次大陆与海洋沉积环境的差异，必然导致某些化学成分的差异，故常研究一些微量元素、同位素和有机化合物用于指示海陆变迁，如海相沉积层中B、Sr/Ba、Fe(黄铁矿)/C（有机）、13C/12C、18O/16O、精氨酸、姥鲛烷等均相对高，而陆相中Ga、Th/U、植烷等均相对高。此外温度是影响氨基酸外消旋化作用的一个参数，所以可通过氨基酸测古温度。特别是随着稳定同位素研究的进展，利用氧、氢同位素测定古温度已成为沉积环境地球化学研究的前沿课题。。成岩作用地球化学的研究化学元素沉积之后不是一成不变的，在松散沉积物的深埋-压实-成岩过程中，伴随着压力、温度、pH、Eh、孔隙度的变化以及间隙水的排出和形成，会引起某些元素的重新迁移和再分配，甚至有些元素可以高度集中而形成矿产。如Fe、Mn沉积后，多以难溶的高价态Fe3+、Mn4+存在，当沉积物被埋藏后，由于逐渐缺O2，加之有机质分解和细菌还原SO娺-产生H2S，可使原来的氧化环境变为还原环境，于是高价的Fe3+、Mn4+被还原为易溶的低价的Fe2+、Mn2+而进入间隙水，这样间隙水中铁锰离子的浓度增大，造成与表层的浓度差，因而Fe2+、Mn2+就向上扩散迁移，至表层即重新被氧化而富集，这种过程不断进行，就可以形成铁锰结核。可见，间隙水在成岩过程中是个很重要的因素，许多元素只有通过这种介质，才能较大量的扩散和迁移。另外成岩中还广泛地发生粘土矿物的转化和非晶质氧化硅的转化，同时伴随发生许多元素的转化，这方面的研究工作日益增多。模拟实验实地观察、室内测定和模拟实验是沉积地球化学研究的三大手段，有些沉积地球化学的现象需要模拟实验加以证实，通常进行的模拟实验很多，如不同pH、Eh条件下某些元素的稳定形态及其地球化学行为；各种粘土矿物及胶体对元素的吸附性能；海水对海底火山物质的浸取机制；成岩早期压实作用下沉积物的物理化学变化；海底非晶质FeS的晶出过程等。在有机地球化学方面，模拟实验的应用尤为广泛，如海洋泥质沉积物中有机质热解转化生烃的实验；有机质对金属富集成矿的实验以及有机质影响海水中碳酸盐沉积的模拟实验等。在有机地球化学研究上已采用现代沉积有机质-沉积岩中有机质-有机模拟实验三位一体的综合研究方法。但是，这些实验多半还是初步的，今后需广泛引进有关学科的先进理论和技术，采用数学原理，促使沉积地球化学进入一个对自然过程进行广泛的数字模拟的新阶段