海洋沉积地球化学

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2013年12月2日 (一) 12:11富甲一方讨论 | 贡献的版本

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  海洋沉积地球化学汉语拼音:Haiyang Chenji Diqiu Huqxue;英语:Marine Sediment, Geochemistry of),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;成岩过程中元素的行为和再分配以及元素的演化史。海洋沉积地球化学的研究既是海洋沉积学的重要内容,也是海洋地球化学的组成部分,它是海洋沉积学和海洋地球化学之间的一门边缘分支学科。

  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的“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,可以探索油气成因,甚至生命起源问题。

  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。特别是从60年代起,锰结核的大规模调查、海底热水(热液)多金属硫化物的发现、深海钻探计划(DSDP)、国际海洋调查十年(IDOE),以及大洋钻探计划(ODP)和国际地圈–生物圈计划(IGBP)等一系列壮举,促使海洋沉积地球化学迅猛地向更大的深度和广度发展。

研究领域

  比较广阔,可以从不同的角度进行系统的研究,主要为以下几个方面。

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元素丰度特征。1961年美国K.K.涂尔坎德国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资料,是对20世纪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,同样取得了丰硕成果。现已查明,陆架浅海沉积物中多数元素的丰度均相对接近大陆岩石和陆壳的丰度,而异于深海大洋沉积物和洋壳的丰度,即具有“元素的亲陆性”。元素主要来自大陆,多呈“碎屑态”由河流搬运入海沉积,沉积后元素迁移作用较深海弱。深海沉积物元素的丰度以富Fe、Mn、Cu、Co、Ni、Zn、Pb、Eu、Ca、Sr、Ir、Os等为特征。元素的物源除陆源外,还有来自海底火山、海底热泉、生物,以及天体的物质。沉积物中元素的自生组分和生源组分明显增加,甚至占优势。沉积后元素迁移作用较强,深海多金属元素品位较高的“成岩型”锰结核,即是沉积后发生元素迁移富集的结果。海洋沉积物中元素地球化学的研究是查明元素地球化学循环全过程的一个必不可少的环节,作为全球元素循环研究较多的有碳、氮、硫、磷等。

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任务之一。现代海底沉积矿产主要有锰结核、富钴结壳、多金属硫化物、磷钙土(磷结核)和滨海砂矿等。其中特别是对深海锰结核、富钴结壳和多金属硫化物的地球化学研究因其潜在的巨大经济意义而日益广泛和深入。已测定结核中有70余种化学元素,并对其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成岩型结核以富Mn、Cu、Ni为特征,而水成型结核以富Fe、Co为特征; ③平原丘陵区所产结核中Mn、Cu、Ni、Zn等的含量较高,海山区所产结核中Fe、Co、Pb等的含量较高; ④有价值的结核产于沉积速率低的地区,结核的生长速率极其缓慢,一般为1~4毫米/兆年,仅为其伴生沉积物沉积速率的1‰左右。

  富钴的铁锰结壳又称富钴结壳。早年的结核调查也涉及结壳,只是未引起足够的重视,而把结壳作为资源的专项调查乃始于20世纪80年代,已取得显著成果。结壳主要分布于水深800~3,000米的海山和海台的顶部和坡面上,化学成分上与锰结核基本类似,但以富钴为特征,其次亦富铂和稀土元素。世界大洋中结壳钴的平均含量为0.6%,太平洋为0.77%,最高可达2.5%。海底多金属硫化物为现代海底热泉所形成,是继锰结核和富钴结壳之后又一种具有明显潜在经济价值的矿物资源。它以富含Fe、Mn、Cu、Zn、Pb、Ni、Co、As、Hg、Mo、Ag、Au等元素为特征,其中有经济意义的元素为Cu、Zn、Pb、Ag、Au等。不同的构造环境产出的硫化物所富集的元素组合有所差异,一般在洋中脊为相对富集Fe、Zn、Cu等的元素组合,在弧后盆地相对富集Ba、Zn、Cu、Pb、As、Ag、Au等元素组合。此外,对以P2O5为主的磷钙土和富含Sn、Ti、Zr、稀土元素的滨海砂矿,地球化学的研究也有很大的进展。

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时空分布规律外,有机地球化学的研究主要集中在以下几个方面:

①研究沉积物中有机质向烃类的转化,探讨石油的成因。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,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;利用长链烯酮的不饱和度指数UK37估算古海水表层温度;依据正构烷烃分子特征判别物源;依据甾醇特征判别古初级生产力;依据姥鲛烷/植烷比值判别氧化–还原环境等。

  值得提出的是,对现代海底热泉沉积物及其生物群落有机地球化学的研究,并将其与生命起源的重大理论问题结合起来将具有重要意义。

同位素地球化学的研究

  基本可分两大内容:一是广泛利用稳定同位素特征,作为研究古海洋、古气候地层学的关键替代性指标;另是利用放射性同位素的衰变规律,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。