什么是地球化学特征 地球化学图
什么是地球化学？地质及地球化学特征，地球化学特性，地球化学体系的特征，“化学特性”和“地球化学特性”的区别。
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地球物理对比地球化学
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.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.
地球化学发展简史
从19世纪开始,一些工业国家逐渐开展系统的地质调查和填图、矿产资源的寻找及开发利用促进了地球化学的萌芽.1838年,德国舍恩拜因首先提出“地球化学”这个名词.19世纪中叶以后,分析化学中的重量分析、容量分析逐渐完善；化学元素周期律的发现以及原子结构理论的重大突破,为地球化学的形成奠定了基础.
1908年,美国克拉克发表《地球化学资料》一书.在这部著作中,克拉克广泛地汇集和计算了地壳及其各部分的化学组成,明确提出地球化学应研究地球的化学作用和化学演化,为地球化学的发展指出了方向.挪威戈尔德施密特在《元素的地球化学分布规则》中指出化学元素在地球上的分布,不仅与其原子的物理化学性质有关,而且还与它在 晶格中的行为特性有关.这使地球化学从主要研究地壳的化学纽成转向探讨化学元素在地球中分布的控制规律.
1922年费尔斯曼发表《俄罗斯地球化学》一书,系统论述了各地区的地球化学,是第一部区域地球化学基础著作.1924年维尔纳茨基发表了《地球化学概论》一书,首次为地球化学提出了研究原子历史的任务,最先注意到生物对于地壳、生物圈中化学元素迁移、富集和分散的巨大作用.1927年他组织和领导了世界上第一个地球化学研究机构——生物地球化学实验室.
与此同时,放射性衰变规律的认识、同位素的发现、质谱仪的发明与改进,导致了同位素地球化学,特别是同位素地质年代学的开拓.1907年美国化学家博尔特伍德发表了第一批化学铀-铅法年龄数据.30～40年代铀-钍-铅法、钾-氩法、 钾-锶法、普通铅法、碳-14法等逐步发展完善,使同位素地质年代学初具规模.
20世纪50年代以后,地球化学除了继续把矿产资源作为重要研究对象以外,还开辟了环境保护、地震预报、海洋开发、农业开发、生命起源、地球深部和球外空间等领域的研究.地球化学分析手段飞速发展,广泛应用超微量、高灵敏度的分析测试技术和仪器,配合电子计算机的使用,不仅可获得大量高精度的分析数据,而且可以直接揭示样品中难于观测的元素及其同位素组成的细微变化和超微结构.
在这个时期,中国在元素地球化学、同位素地质年代学方面也取得了一批重要成果,如1961年李璞等发表了中国第一批同位素年龄数据；1962年黎彤等发表了中国各种岩浆岩平均化学成分资料；1963年中国科学院完成了中国锂铍铌钽稀土元素地球化学总结,提出了这些矿种的重要矿床类型和分布规律.
地球化学的基本内容
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.
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.
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座标.
比如已经测得太阳系各行星形成的年龄为45～46亿年,太阳系元素的年龄为50～58亿年等等.另外在矿产资源研究中,同位素地球化学可以提供成岩、成矿作用的多方面信息,为探索某些地质体和矿床的形成机制和物质来源提供依据.
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.
天体化学是研究元素和核素的起源,元素的宇宙丰度,宇宙物质的元素组成和同位亲组成及其变异,天体形成的物理化学条件及在空间、时间的分布、变化规律.
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.
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.
在研究方法上,地球化学综合地质学、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地球化学研究方法.这些方法主要包括：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.
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.
地质时代地球演化特征
一、地质特征
1.矿床格架
SEDEX矿床的内部格架主要受流体卸载口附近的海底硫化物所控制。临近喷气口的矿床主要是由热液流体的浮力所形成的，而远离喷气口的矿床则是由于流体比凹陷盆地中海水重，导致在远离喷气口的海底沉淀。最后，临近喷气口的矿床以带状为特征，这是由于热液流体与喷气口上方的层状硫化物反应的结果。
临近喷气口的矿床可以分为4个相:①层状硫化物;②喷气口混杂物;③硫化物细脉带;④远端热液蚀变沉积物。靠近流体上升的中心往往是细脉带，层状硫化物以充填、脉状和被高温硫化物交代为特征，而远端的热液沉积物可能代表了幔羽的散落物。这些物质由于海底海水的流动以及重新活动的硫化物丘的交替碎屑流体而分散。
远端的矿床的分带性不是很明显，与盆地的形貌呈层状整合关系(图8-2)。
2.结构和矿物
不管是近端矿床，还是远端矿床，层状相主要由硫化物、热液产物(如碳酸盐、燧石、重晶石、磷灰石)和一些非热液的碎屑、化学和生物沉积岩组成。在许多矿床中，黄铁矿是主要的硫化物;而在Sullivan和Mount Isa矿床，磁黄铁矿是主要的硫化物。这类矿床主要的经济矿物是闪锌矿和方铅矿，铁硫化物与贱金属硫化物的比值从小于1∶1到大于5∶1。非硫化物热液组分是可变的，当有重晶石出现的时候，可以占到25%。硅质主要以燧石形式出现，其中部分来自热液流体。
在层状矿体的边缘相，通常称为“远端相”，主要由没有经济价值的层状热液产物组成。远端相包括纹层状的黄铁矿、磁黄铁矿和铁、锰、钙碳酸盐，以及氧化铁、重晶石和硫酸盐等。层状矿石和沉积围岩的接触带是渐变的，有时候是靠矿石品位确定的。
喷气口混合物是不均匀的，一般由块状、交代残片以及不规则的脉体和浸染状的硫化物、碳酸盐、硅质(主要是石英)组成。矿物组合有黄铁矿、磁黄铁矿、方铅矿、闪锌矿、铁碳酸盐、电气石和少量的白云母、绿泥石、黄铜矿、毒砂和硫酸盐矿物组成。
图8-2 Sedex矿床成因模型
喷气口混合物下方的供给带是不整合带，主要由硫化物、碳酸盐和硅质脉体以及与下盘沉积物的浸染和交代的产物组成。在大多数矿床中，供给带的根部在同沉积的断裂带、断层崖角砾、火山灰熔流中。与SEDEX矿床有关相的突变说明在硫化物形成之前、之中以及之后，断层一直是活动的。
3.围岩
大多数SEDEX矿床的围岩主要由盆地海相、还原性的、细粒沉积物组成。这些沉积物主要是含碳的燧石和页岩。这些沉积物代表了深海、半深海的环境。Irish型矿床主要的围岩是灰岩和白云岩。BHT型矿床的围岩则是双峰式火山岩和碎屑沉积物，这些沉积物往往变质成为角闪岩相和麻粒岩相的岩石。
二、SEDEX型矿床的地球化学特征
1.矿石组成
SEDEX矿床主要经济组分是赋存于层状矿石矿物闪锌矿和方铅矿中的Zn、Pb和Ag组分。最高品位的Pb+Zn矿石一般在喷气口和层状矿石的过渡地带。这主要是由于贱金属及与矿石有关的元素(如Hg、As和Sb)在喷气口被淋滤，随后在靠近喷气口的层状岩相中重新沉淀下来。在一些SEDEX矿床中，如德国的Rammelsberg和澳大利亚的Mount Isa，Cu则是这些矿床的主要资源。
除了成矿元素外，SEDEX矿床还含有大量的与矿石有关的元素，如Fe、Mn、P、Ba、Ca、Mg、Hg、Cd、As、Sb、Se、Sn、In、Ga、Bi、Co、Ni和Tl等(Goodfellow et al.，1990)。
2.矿石结构和化学分带
在大多数SEDEX矿床中，热液蚀变结构、矿物和元素围绕热液流体的卸载中心呈放射状分布。从流体卸载中心向外的侧向分带主要受喷气口的带状结构控制，常常伴随有层状矿体厚度的减小以及热液矿床单层厚度和个数的降低(Goodfellow et al.，1993)。
从火山喷气口中心向外，Zn/Pb比值增加是SEDEX矿床最主要和显著的特征。而Pb/Ag、Cu/(Pb+Zn)、Fe/Zn、Ba/Zn、SiO2/Zn比值也是增加的。
3.蚀变结构、矿物学和化学特征
尽管SEDEX矿床与下伏的热液流体供给带密切相关，但是截至目前，在许多矿床中与其有关的热液蚀变却没有得到系统、深入地研究。已有的研究表明，SEDEX热液蚀变矿物主要有石英、白云母、绿泥石、铁白云石、菱铁矿、电气石和硫化物等。蚀变带硫化物的含量十分低，但是黄铁矿、磁黄铁矿、方铅矿、闪锌矿、黄铜矿、黝铜矿和毒砂在有些矿床中也可以见到。
与SEDEX矿床有关的热液蚀变发育广泛，在成矿前和成矿后的沉积岩中延伸可达100m，侧向延伸可达数千米。例如，在Sullivan矿床，绢云母化蚀变范围达200m。尽管成矿期后的热液沉积物清楚地显示SEDEX矿床成矿后热液流体还在活动，然而，明显缺失热液蚀变则说明后期的流体活动是非常微弱的，以至于难以观察到。
三、全球尺度和大陆尺度地质特征
1.构造背景
SEDEX、Irish以及BHT型矿床产于克拉通内部或者克拉通前缘的沉积盆地中。其构造背景是变化的，如地幔柱引起的克拉通内部裂谷带和重新活动的裂谷边缘以及裂谷的弧后远端都可以形成这些矿床。尽管BHT型矿床的成因还有争议，但是BHT型矿床往往与沉积盆地中的同时代的双峰式火成岩的共生的现象说明BHT型矿床与较少变形和变质的、沉积于弧后大陆裂谷环境的VHMS矿床(赋存于火山岩和沉积岩中的硫化物矿床)是类似的。
所有的SEDEX矿床都形成于构造活动过程中，这可以从断裂的重新活动、盆地内碎屑沉积作用，以及火山作用和岩床侵位作用所代表的岩浆作用等得到信息。许多矿床形成于还原性的海相盆地，并且主要形成于盆地演化过程中的凹陷阶段，临近深穿透的走滑断裂的附近。这些构造在同裂谷阶段的高渗透性的碎屑沉积岩中切割区域碳酸盐和页岩建造，并从流体库中捕获含矿流体(Nelson et al.，2002)。
2.长期演化和硫的循环
SEDEX，Irish和BHT矿床形成于从古元古代(2000Ma)到白垩纪几个不连续的地质时期。由于大型Sullivan矿床的影响，Pb和Ag的品位在古-中元古代是最高的，尽管Au的数据有限，但是其品位在古元古代和古-中元古代是比较高的。
许多SEDEX矿床的形成与地球演化过程中，大洋分层缺氧、富H2S时期密切相关(图8-3，图8-4)。例如，在古生代Selwyn盆地，沉积黄铁矿中δ34S的增高、缺氧的纹层状的含碳页岩和燧石与3个主要的SEDEX矿床形成时期(晚寒武世、早志留世和晚泥盆世)密切相关。
图8-3 地质历史演化时期SEDEX矿床的分布
图8-4 新元古代和显生宙构造(大陆汇聚和裂解)、冰期事件、大陆溢流玄武岩，以及蒸发岩的硫同位素组成
从以含铁、铁占优势的太古宙大洋到还原性的、硫占优势的元古宙和显生宙大洋的转换，是与Superior类型铁建造的氧化和沉淀作用分不开的。大洋的这种化学成分的变化伴随着硫酸盐的增加，这对于细菌硫酸盐的还原作用和富H2S缺氧水柱的建立是必需的。太古宙和古元古代SEDEX矿床的缺失可能是由于缺氧大洋中还原性铁的含量较高而影响H2S的活动性。在这种情况下，由于缺乏还原性的硫使之沉淀，导致还原性的、缺硫的卤水流体从喷气口喷到水柱中的时候发生分散。
3.盆地结构
最有利于形成SEDEX矿床的盆地是大陆裂谷盆地(图8-5)，这种盆地必须有至少2～5km厚的粗粒、渗透性较好的碎屑岩及其有关的火山岩或者火山碎屑岩组成。这些火山岩或者火山碎屑岩形成于裂谷时期，并被不能渗透的盆地页岩或者碳酸盐所覆盖(Goodfellow et al.，1993)。Zn和Pb的主要来源是同裂谷时期的火山岩和碎屑岩(Lydon et al.，2000)。最终有利于金属沉淀的环境是还原性的盆地，盆地可以从周围的海水中获得H2S补偿。尽管一些矿床与岩浆作用的关系不是很明显，但是，在空间上和时间上，铁镁质火山岩和岩浆与许多SEDEX矿床以及赋存在双峰式火山岩中的BHT矿床的关系十分密切(Parr et al.，1993)。
图8-5 SEDEX矿床沉积盆地构造格架
4.矿床尺度
SEDEX、Irish和BHT矿床一般发育于沉积盆地的三级构造中，近喷气口的矿床与活动断裂密切相关，这些断裂限定了盆地的边界。而远离喷气口的矿床发育于海底的凹陷地带。喷气口和与之有关的矿床也明显受切割地层的断裂控制，这些穿层断裂作为运输通道，把成矿流体从热液反应带运送到海底。另外，影响喷气口的因素是基底的高度以及软沉积物的多少。反应带的水动力学主要受热结构、基底几何形态、卸载带的位置所制约。就远离喷气口的矿床而言，与临近喷气口矿床不同的是其主要受流体的密度和局部海底的压力所控制。
地球化学基础知识
本区地表水（溪水、河水、湖水）均呈硫酸钠水质类型，是通常的温泉水质类型，在研究区未发现其源头，不能推断其确切的成因途径。某公园景区山庄100m深井地下水中偏硅酸和氟含量较普通地表水和地下水稍高，但尚未达到温泉地热水的水准。该井水的地球化学温标显示有43.1℃的钾镁温度和49.0℃的二氧化硅温度，但是水/岩平衡研究显示其深部地球化学环境，总体未曾有过较高的温度（未出现代表110℃温度的矿物），地下环境处于还原状态，较为封闭，渗透性条件较差，地热总体活动强度较弱。
地球化学图
自然体系中元素间的互相作用与人为控制的化学反应不同，因为自然体系的组成和物理化学条件不可能人为设定。地壳和地球范围内的自然体系和自然过程有以下特点：
（1）温度、压力等条件的变化幅度与实验条件相比是相对有限的，如地壳和上地幔的温度变化幅度为-80～1800 ℃，压力由 0.0 n～1010 Pa（十万大气压）。现代实验条件可以从接近绝对零度（0.00001 K）到超高温5×104℃（等离子火焰），以至到100 M℃（聚核反应）；压力条件可由真空到1.2×1011 Pa，可见自然体系与实验体系温-压条件变化幅度差异很大。
（2）是多组分的复杂体系。自然作用体系中大量化学组分共存，虽然任意一个地质体系都可以看成是由92种元素和354种核素组成，但浓度相差悬殊。作用过程元素以其各自的丰度来决定参加化学反应的量比，这与在实验室中通常为高纯试剂的有限组分体系所实现的化学反应有很大区别。地壳和地球中阴、阳离子的总数不相等，阴离子总数≪阳离子总数，也是制约元素结合方式的重要原因。
（3）体系是开放的。自然过程具多变度单向发展演化的特征，地球化学作用中体系与环境之间存在充分的物质和能量交换，由于外来成分的加入会不断改变系统内作用的性质和条件。因此，地球化学作用都具有分阶段单向演化的特征，如原来从岩浆中析出的热液，在不断加入来自围岩的孔隙溶液和淋取成矿物质后，晚期将转变成具侧分泌性质的溶液。
（4）自发进行的不可逆过程。反应进行的方向、速率、限度受体系能量效应的制约，由于作用的能源来自地球本身，因此地球热量的空间分布控制着地球化学过程进行的规模和强度。同时，由于自然体系为多相多组分体系，化学反应受动力学因素的制约，因此其作用过程具有不彻底性。
地球化学的定义及研究内容
“化学特性”包含“地球化学特性”
物质在化学变化中表现出来的性质叫化学性质即化学特性。化学性质是物质在化学变化中表现出来的性质。如所属物质类别的化学通性:酸性、碱性、氧化性、还原性、热稳定性及一些其它特性。化学性质与化学变化是任何物质所固有的特性，如氧气这一物质，具有助燃性为其化学性质;同时氧气能与氢气发生化学反应产生水，为其化学性质。任何物质就是通过其千差万别的化学性质与化学变化，才区别与其它物质;化学性质是物质的相对静止性，化学变化是物质的相对运动性。
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;研相关书籍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。地球化学特性地球和地质体中元素及其同位素在化学变化中表现出来的性质。
