沉积地球化学

　　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、大气圈和生物圈的相互作用结果，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。

质量

　　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。

化学成分

　　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。

微量元素

　　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。

　　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）。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。

1891年 J.默里和 A.F.勒纳尔对1872～1876年英国“挑战者”号考察时所采集的沉积物及锰结核进行了若干化学成分的分析与研究，这标志着海洋沉积地球化学研究的开始。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。

50年代以来，随着对开发海洋矿产资源的重视和科学技术的提高，海洋沉积地球化学获得了长足的发展，其表现为：①采用一系列新的测试技术（如原子吸收分光光度分析、能谱分析、质谱分析、色谱分析、电子探针分析、中子活化分析等）测定更多的元素，其中包括大量的微量元素和同位素；

②从主要研究沉积物的化学成分，发展为研究化学作用和化学演化；

③在开展深海大洋研究的同时，广泛开展了陆架浅海沉积地球化学的研究；

④对具有经济价值的大洋锰结核的地球化学进行了大力研究。

元素的物质来源、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；成岩成矿过程中元素的行为和再分配以及元素的演化史；研究与海洋沉积地球化学有关的各种分析方法、测试技术和模拟实验等。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学科。

海底着陆器

研究领域比较广阔，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丰度，如大陆架沉积物中元素丰度分布的模式不同于大洋沉积物元素丰度分布的模式，前者呈现Eu的负异常，后者呈现Ce的负异常和Cu的正异常等。1961年美国K.K.涂尔坎和德国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定量资料，这是对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，相继取得了一些元素含量和分布的资料。研究表明，海洋中的化学元素，主要来自大陆、海底火山、海底热泉、宇宙、大气等；元素的搬运形式有碎屑态、胶体态、真溶液态和吸附态；元素的沉积机理有重力沉积、化学沉积和生物沉积等；元素沉积后仍可发生迁移，一直到趋于新的地球化学平衡。当前结合矿产资源、环境保护和生物资源的调查研究，对元素地球化学的详细研究多集中在对成矿元素、有害元素和营养元素上。显然，提高元素分析的灵敏度和准确度，进而分析沉积物各种组分中元素的含量，是海洋沉积元素地球化学研究朝纵深发展的方向。

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目的之一。现代海底矿产有锰结核、磷结核、多金属硫化物、海底砂矿等，其中特别是深海锰结核地球化学的研究因其具有潜在的巨大经济意义而日益广泛和深入。已测定锰结核中50余种化学成分，对锰结核的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有价值的锰结核产于沉积速率低的地区；③结核化学成分有明显的区域性变化，有些地区结核富Fe、Co，有些地区结核富Mn、Cu、Ni；④结核的生长速率极其缓慢，一般约为4毫米/106年，仅为其伴生沉积物沉积速率的千分之一左右。但影响结核生长和成分变化的主要机制、海底火山及热泉对Mn、Fe、Cu、Co、Ni等金属元素的贡献、生物地球化学作用在结核形成中的意义、结核分布与海底扩张板块构造的关系以及结核不被伴生沉积物埋藏的原因等，都是急待解决的问题。为了实地深入研究大洋锰结核的地球化学，已经研制成功“锰结核研究海底着陆器”，利用该种装置可在海底实地研究沉积物-结核-海水界面化学和生物的作用以及这些作用与结核形成的内在联系。此外，对以磷为主的磷酸盐结核和富含Sn、Ti、Zr、稀土等元素的海底砂矿，也不断进行研究。与海底热泉有关的深海多金属硫化物矿床，近年来尤其引人注目。这种矿床富含Zn、Cu、Co、Pb、Fe、Mn、Cd、Ag、Au等多种金属，常分布于海底扩张带或火山区附近，其上覆盖着一层高温高盐的热卤水，关于热水的来源以及多金属硫化物的成因等，都是海洋沉积矿产地球化学研究的新课题。

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分布规律外，有机地球化学的研究主要集中在以下几个课题：①研究沉积物中有机质向烃的转化，探讨石油的成因，一般认为有机质经过一系列改造形成干酪根，干酪根在成岩过程中经过热解生成烃。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，从而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；利用一系列属于陆地成因的有机化合物（包括苝、烷烃、二萜类等）去探讨现代深海浊流沉积的成因等。海洋沉积有机地球化学的研究比无机成分的研究较缓，加强对有机碳的成因、演化模式的研究，并将其与生命起源的重大理论问题结合起来具有重要意义。 海底矿产磷结核

同位素地球化学的研究 　

沉积物中的放射性同位素遵循一定的衰变规律，因而可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。测年的方法诸如14C法，230Th法，231Pa／230Th法，230Th／232Th法，226Ra法，210Pb法，10Be法，234U/235U法，40K/40Ar法等（见海洋沉积物同位素年代测定）。其次利用某些相对短寿命的同位素可以测定发生于海底表层沉积物的混合作用，如根据210Pb(半衰期为22.3年)可以测定深海大洋的混合层厚度及混合速率；根据234Th（半衰期为24.1天）可以测定陆架浅海的混合层厚度及混合速率。此外还有用同位素作为示踪剂研究沉积物与海水之间元素的物质通量与平衡。除了上述放射性同位素外，近年沉积物中稳定同位素的研究已蒸蒸日上，碳、氧、硫的同位素除用于判别海陆相沉积和物质来源外，更重要的是还可利用18O/16O、2H/1H比值测定沉积时的古温度(见核素在海洋学中的应用)，利用13C/12C比值可测定生物的生产力。各种同位素方法的研究，多数尚属于探索阶段，而且有些方法有一定的局限性，因此不断深入开展同位素地球化学的研究，有着广阔的前景。

海洋沉积环境地球化学的研究 　

沉积的物理化学环境对元素的迁移、存在形式、演化等方面有着制约的关系。在现代海洋条件下，介质的酸碱度(pH)和氧化还原条件(Eh)明显控制元素的分布，因此通常研究pH、Eh及若干变价元素（如 Fe、Mn、U等）用于指示沉积环境的酸碱度和氧化还原状况。其次大陆与海洋沉积环境的差异，必然导致某些化学成分的差异，故常研究一些微量元素、同位素和有机化合物用于指示海陆变迁，如海相沉积层中B、Sr/Ba、Fe(黄铁矿)/C（有机）、13C/12C、18O／16O、精氨酸、姥鲛烷等均相对高，而陆相中Ga、Th/U、植烷等均相对高。此外温度是影响氨基酸外消旋化作用的一个参数，所以可通过氨基酸测古温度。特别是随着稳定同位素研究的进展，利用氧、氢同位素测定古温度已成为沉积环境地球化学研究的前沿课题。

成岩作用地球化学的研究 　

化学元素沉积之后不是一成不变的，在松散沉积物的深埋-压实-成岩过程中，伴随着压力、温度、pH、Eh、孔隙度的变化以及间隙水的排出和形成，会引起某些元素的重新迁移和再分配，甚至有些元素可以高度集中而形成矿产。如Fe、Mn沉积后，多以难溶的高价态Fe3+、Mn4+存在，当沉积物被埋藏后，由于逐渐缺O2，加之有机质分解和细菌还原SO娺-产生H2S，可使原来的氧化环境变为还原环境，于是高价的Fe3+、Mn4+被还原为易溶的低价的 Fe2+、Mn2+而进入间隙水，这样间隙水中铁锰离子的浓度增大，造成与表层的浓度差，因而Fe2+、Mn2+就向上扩散迁移，至表层即重新被氧化而富集，这种过程不断进行，就可以形成铁锰结核。可见，间隙水在成岩过程中是个很重要的因素，许多元素只有通过这种介质，才能较大量的扩散和迁移。另外成岩中还广泛地发生粘土矿物的转化和非晶质氧化硅的转化，同时伴随发生许多元素的转化，这方面的研究工作日益增多。

模拟实验的研究 　

实地观察、室内测定和模拟实验是沉积地球化学研究的三大手段，有些沉积地球化学的现象需要模拟实验加以证实，通常进行的模拟实验很多，如不同pH、Eh条件下某些元素的稳定形态及其地球化学行为；各种粘土矿物及胶体对元素的吸附性能；海水对海底火山物质的浸取机制；成岩早期压实作用下沉积物的物理化学变化；海底非晶质 FeS的晶出过程等。在有机地球化学方面，模拟实验的应用尤为广泛，如海洋泥质沉积物中有机质热解转化生烃的实验；有机质对金属富集成矿的实验以及有机质影响海水中碳酸盐沉积的模拟实验等。在有机地球化学研究上已采用现代沉积有机质-沉积岩中有机质-有机模拟实验三位一体的综合研究方法。但是，这些实验多半还是初步的，需广泛引进有关学科的先进理论和技术，采用数学原理，促使沉积地球化学进入一个对自然过程进行广泛的数字模拟的新阶段。