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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