沉积地球化学

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地球化学的一个研究领域。研究地球沉积圈的化学组成,化学作用和化学演化。地表由于岩石圈、水圈、大气圈和生物圈相互作用结果,产生和形成了松散的沉积物(土圈)和成层的沉积岩(成层岩石圈)。由它们组成厚度不一和较为连续的沉积圈,覆盖在地球的表层。

沉积圈中的地球化学作用有若干特点:

(1)气态、液态和固态3种物质稳定的共存;

(2)引起反应的能量来源多种多样(地能、宇宙能、生物能等);

(3)普遍存在游离氧和水;

(4)各种反应在低温、低压条件下进行;

(5)生物作用的影响特别重要。为了强调这些特点,沉积地球化学也称外生地球化学或表生地球化学。

沉积圈的质量和化学成分

沉积圈的总体积为(3~4.17)×108立方公里,总质量为(1.7~2.4)×1018吨,约占地壳总质量的10%或地球总质量的0.04%。整个沉积圈的平均厚度为2.2公里,但在不同地质单元中质量分配相当不均匀,沉积圈的平均厚度大陆区大于大陆边缘,大陆边缘又大于大洋区,相应厚度比例为5:2.5:0.4。

沉积圈各种沉积类型的化学成分变化极大,最主要的氧化物如SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO-MgO(+CO2)等的含量变化范围可由 1%以下到99%以上。这种特点反映沉积地球化学作用有明显的分异趋势。沉积岩中Fe2O3、CO2、H2O、有机质等含量较高,Fe2O3>FeO,K2O>Na2O,这是由沉积圈化学作用的特点,如水的积极参与、氧化作用强、生物作用和粘土矿物的影响等所决定的。

沉积圈中微量元素的含量因沉积物类型不同而有较大差别,一般趋势是相当多的微量元素在粘土岩中富集。某些沉积岩类富集特定的微量元素,如黑色页岩富含镍、钼、钒、铀;铝质岩富钛、镓;磷块岩富稀土、铀、碘等。控制微量元素在沉积圈中分布的主要因素是自然地理环境和元素本身的地球化学性质。

沉积作用地球化学

沉积作用由风化、搬运、沉积、成岩、后生改造等阶段构成。风化过程的化学反应主要是水解、氧化、离子交换、水合、碳酸盐化、络离子形成和简单的化学溶解等化学反应。生物活动和生物死亡后机体腐解对风化作用影响很大,在一定程度上决定着风化过程化学作用的性质、方向和速率。通常岩石中的硫、氯、钙、钠、镁等易于溶解;铝、铁、锆、钛等很难溶解而保存在碎屑中;在还原条件下铁、锰等元素的活动性很大,易于进入溶液,但在氧化介质中铁、锰的活动性很小而残留在原地。与之相反,铜、铅、锌等元素在氧化条件下易于活动,而还原条件下则为不活动的组分。

风化产物绝大部分将被水搬运,抗风化能力强的化学性质稳定的矿物(如石英、碱性长石和重矿物)和地表条件稳定的粘土矿物,包括沿河流底部拖曳的和在河水中悬浮的物质,主要呈机械形式搬运。化学上较不稳定的物质(包括离子、络离子和溶解分子等)以真溶液或胶体溶液方式被搬运。以机械方式和化学方式搬运的物质,在一定的条件下可以相互转化。

被搬运的物质最终都转变为沉积物。机械搬运的物质因水动力条件的改变,按颗粒大小、形态和比重分异(机械分异),形成碎屑沉积物。化学搬运的物质因环境条件变化发生化学分异而沉积。经过机械分异和化学分异,沉积物的空间分布显示清楚的分带。大陆沉积物主要是自然地理分带(如冰川、沙漠、黄土、红土等)。海洋沉积物的分带有环大陆分带(如砂砾碎屑物、有机质),纬度分带(如碳酸盐、冰碛物)和深度分带(从浅到深依次为文石、方解石、硅质物和深海粘土)。

沉积岩中元素的分配,特别是微量元素的分配与沉积物的粒度关系很密切。在细碎屑物中(粉砂和粘土)富集的微量元素种类多,丰度大,这种现象被称为元素分配的粒级规律。这种一般性的规律在局部地区因沉积物的特性和环境的变化可以增强或减弱。

在成岩作用过程中的化学变化主要是:

(1)由微生物生命活动和有机物质的转变、分解所引起的还原作用;

(2)含水化合物的脱水和胶体的老化;

(3)无序的、不稳定的物质转变为有序的和稳定的物质;

(4)成分不断变化的孔隙溶液与某些沉积物反应生成自生矿物;

(5)元素的迁移、再分配和重新聚集等。成岩作用中元素的行为在大洋、陆棚和大陆有差别。同一环境中沉积物类型不同,其中的化学作用、转变为岩石的速率也不一致。通常大陆的成岩速度比海洋的要快,海洋中浅海碳酸盐比砂岩和细碎屑岩固结得更早。某些组分成岩变化有一定规律,如SiO2由A型蛋白石到CT型蛋白石到石英的转变;碳酸盐由文石到低镁方解石的转变,由高镁方解石到方解石和白云石的转变,由原白云石到白云石的转变;粘土矿物中高岭石、蒙脱石到伊利石的转变等。沉积岩中的结核是物质重新分配的产物。某些矿石如铁锰碳酸盐、某些磷块岩和多金属硫化物是成岩作用形成或加富的结果。

循环在已固结岩层中的流体是非常重要的地质和地球化学参数。洋中脊、岛弧及陆壳上的热水成矿作用的发现,为认识元素的活化、迁移和重新聚集提供了天然的实验室。在高地热场的背景中,存在于岩层中的各种来源的流体被加热,在侧向、向上运移的过程中能有效的溶解和搬运许多成矿元素。当到达近地表或海底处,由于物理化学状态的改变,将释放出所携带的元素而以充填、交代或沉积方式堆积下来。这种流体循环体系构成一种沟通深部和浅部地质地球化学作用的垂直传送带。目前已在洋中脊、岛弧和近岸陆棚区发现近 100多处较大规模热水沉积物,其中有些具有巨大的潜在工业价值。这种成矿作用对于人们认识地球历史中的成矿作用的演化,有重要的启示,并将成为今后沉积地球化学的新的研究领域。

大陆超深钻的资料对认识沉积岩的改造或后生变化提供了依据。一般在地层的浅处碳酸盐是化学上的活泼组分,常交代其他成分。在中深范围(约3~5千米)SiO2变为活性组分,以再生长大或硅化形式取代碳酸盐等成分。更深处碳酸盐又活跃起来。在超过10千米的深处还发现有沿断裂的水热蚀变和硫化物矿化。

沉积作用的地球化学特点是所发生的化学变化大都是反应不完全的,达不到化学平衡的。这是因为沉积圈的温度、压力较低,化学反应的速度较慢,同时,反应的产物常是亚稳定的,将经过一系列的中间产物向稳定态转变。

沉积地球化学相

指能反映沉积与成岩化学条件的特征相近的沉积组合。地表各种主要地质地理环境中都有沉积物的堆积,沉积地球化学相可根据沉积物(岩)中的自生矿物、元素组合和同位素来识别,也可把沉积介质的酸碱度(pH)、氧化还原电位(Eh)作为划分标志。人们把表生带按pH-Eh组合划分为碱性还原相(以黄铁矿、有机物质、铁绿泥石等为标志);碱性氧化相(以钙、镁碳酸盐为标志);酸性还原相(以高岭土、水铝矿为主的漂白层为特征);酸性氧化相(以铁锰、铝的氧化物、铝的磷酸盐为标志)。还可再细分为强还原的硫化氢相或黄铁矿相,弱还原的菱铁矿相,弱氧化的海绿石相和强氧化的针铁矿(赤铁矿)相等。沉积地球化学相的确定,可以判断元素迁移或聚集的趋势,如铁、锰矿床的富矿需要氧化环境,而石油的生油层、沉积铀矿床、硫化物矿床堆积在还原环境等。

一套沉积岩的自然共生组合叫做沉积建造。根据沉积组合富集某些特定元素可划分出各种沉积建造,如含铁建造、 含磷建造、 含盐建造等。这对区域地球化学环境和成矿预测有重要意义。从铝-铁-锰和二氧化硅-磷-钙-镁等元素组合的行为还可划分潮湿和干旱气候带的沉积类型。利用沉积岩的化学成分,讨论沉积盆地的大地构造背景,已积累了一些经验,例如据砂岩的SiO2/Al2O3,K2O/Na2O及一些微量元素的含量,成功地区别了砂岩是堆积在板块主动边缘,还是被动边缘或是岩浆弧。

沉积圈的化学演化

沉积圈是地质历史过程的产物,也是地质历史最完整的记录。从最古老的地壳到现在都有沉积岩形成。沉积圈中的沉积类型和质量配比与地质历史有复杂的函数关系。沉积物数量随时代变新而成指数增加,在这一总的趋势中显生宙沉积物量又有周期性的波动,沉积量较大的时期是泥盆纪、三叠纪、第三纪和第四纪,沉积圈中的化学元素与同位素也有明显的地史演化趋势,如钙、钾有机质等随时代变新而呈现线性增加或波动增加,铝、铁、钠、镁等元素都有明显的减少趋势(见图)。

图

沉积岩中的氧、硫、锶同位素也同样有明显的年代效应。沉积圈的化学成分和同位素成分与地质年代的函数关系,反映了沉积圈的演化有阶段性、周期性和不可逆的方向性。这是由于地壳、水圈、大气圈和生物圈的发育有方向性、周期性和阶段性的性质所决定的。

沉积剖面中的一些稀罕的或奇异事件的识别已成为地学的热门课题。白垩纪第三纪界限层粘土中铱含量,碳、氧同位素和铂族元素的异常,为小行星撞击引起恐龙灭绝的灾变理论的创立起了关键的作用。在一些重要的地质时期界面,如二叠-三叠纪,寒武纪与晚元古代也有类似异常的报道,可以预料,事件沉积的研究将使沉积地球化学得到更大的发展。

参考书目
  1. H.J.勒斯勒、H.朗格著,卢焕章、徐仲伦译:《地球化学表》,科学出版社,北京,1985。(H.J.Rsler and H. Lange, Geochemical Tables, Elsevier, London, 1972.)
  2. R. M. Garrels et al., Evolution of Sedimentary Rocks,W.W.Nortow and Co.Inc., New York, 1971.