沉积地球化学

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  沉积地球化学汉语拼音:Chenji Diqiu Huaxue;英语:Sedimentary Geochemistry),研究地球沉积圈的化学组成、化学作用和化学演化,是地球化学的一个研究领域。又称外生地球化学表生地球化学。地表岩石圈水圈大气圈生物圈的相互作用,形成了松散的沉积物(土圈)和成层的沉积岩,构成厚度不等的沉积圈,覆盖在地球表层。

沉积圈的质量和化学成分

  沉积圈的总体积为(3~4.17)×108立方千米,总质量为(1.7~2.4)×1018吨,占地壳总质量的10%、地球总质量的0.04%。平均厚度为2.2千米;沉积圈厚度在大陆区、大陆边缘区、大洋区的比例为5∶2.5∶0.4。

  各种沉积岩的化学成分变化大,主要氧化物为:SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO-MgO(+CO2)。沉积岩中Fe2O3、CO2、H2O及有机质等含量高于岩浆岩,同时Fe2O3>FeO,K2O>Na2O,与其富水和氧化等生成环境有关。多种微量元素在黏土页岩中富集,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。

沉积圈地球化学作用特点

  1. 气态、液态和固态物质稳定共存;
  2. 化学反应的能量来源多样性(地能、宇宙能、生物能等);
  3. 富游离氧和水;
  4. 常温、常压条件;
  5. 生物作用影响重要。

  沉积地球化学作用的特点是体系的开放性和反应非平衡性以及产物的亚稳定性。

  沉积作用由风化、搬运、沉积、成岩、后生改造等阶段构成。风化作用的主要化学反应是水解、氧化、离子交换、水合、碳酸盐化、络离子形成和化学溶解等。岩石中的硫、氯、钙、钠、镁等易于溶解;铝、铁、锆、钛等矿物难溶而常保存在碎屑中;在还原条件下铁、锰等活动性很大,易进入溶液,在氧化介质中铁、锰的活动性降低,易于沉淀。铜、铅、锌等元素活动性与之相反。

成岩作用过程中化学变化

  1. 微生物和有机质还原作用;
  2. 脱水和胶体老化作用;
  3. 矿物转变和自生矿物形成;
  4. 元素的迁移、再组合、富集等。

  循环流体是重要的地球化学活化剂:洋中脊、岛弧及陆壳的热水成矿作用为认识元素的活化、迁移和重新聚集提供了依据,流体循环体系构成了沟通深部和浅部元素迁移与成矿的机制。已在洋中脊、岛弧和陆棚区发现100多处热水沉积物,具有潜在工业价值。

  能反映沉积与成岩化学条件的特征相近的沉积组合称沉积地球化学相。如表生带按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(钙、镁碳酸盐为标志);酸性还原相(高岭土、水铝矿、漂白层);酸性氧化相(铁锰、铝的氧化物、铝的磷酸盐)。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。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。利用沉积岩的化学成分,讨论沉积盆地的大地构造背景,已经总结出一些图解模式。

沉积圈的化学演化

  沉积圈包含地质历史过程的完整记录。从古到今沉积类型和质量配比与地质历史有复杂的函数关系,沉积圈化学元素及其同位素组成也有某种演化趋势,如钙、钾及有机质等随时代变新呈现线性增加或波动增加;铝、铁、钠、镁等元素有减少趋势;氧、硫、锶同位素也同样有明显的随年代变化的规律。这反映了沉积圈的演化有韵律性、周期性和不可逆的方向性。沉积剖面中的一些突变事件的成因已引起地学领域的关注,如白垩纪与第三纪界限层黏土中铱含量,碳、氧同位素和铂族元素的异常,为小行星撞击地球引起恐龙灭绝的灾变理论提供了依据。此外,二叠纪与三叠纪、寒武纪与晚元古代也有类似异常。