元素地球化學

元素地球化學是研究地殼中或地表各類岩石、礦物、礦石及各種地質體中化學元素的組成、含量、分布及時空變化的學科，也是研究各種化學元素地球化學行為的主要學科。根據化學元素在地質體中含量的多少主要分為常量元素地球化學、微量元素地球化學、稀土元素地球化學等類型。

基本介紹

• 中文名：元素地球化學
• 性質：化學術語
• 套用：研究地殼中或地表各類岩石
• 創始人：挪威的V.M.戈爾德施密特
• 創始時間：1929年

狀態

研究元素在地球各部分以及宇宙天體中的分布、分配、遷移形式和賦存狀態，以其元素在各種地質及物理、化學條件下的分散、富集和演化循環規律的地球化學分支學科。

元素地球化學

中國元素地球化學資料庫，以中國科學院廣州地球化學研究所元素地球化學實驗室、岩石學實驗室、有機岩石學實驗室，岩石學化學分析實驗室及礦物實驗室長期積累的各類岩石礦物樣品的元素分析數據為主要數據源，並收集國內外研究文獻而建成。資料庫可以實驗室這些數據的模糊查詢。可以廣泛套用於地質、岩石、沉積學、化探、地球化學及礦產勘探及研究等各個領域。個別元素的地球化學研究，有助於有計畫地尋找和勘探各種元素的礦床。闡明它們與人類生活的關係，提供有力的理論依據。

發展簡史

1929年，地球化學的創始人之一，挪威的V.M.戈爾德施密特套用靈敏精確的定量光譜法進行了硼、鎵、鍺、磷、鈦等元素的地球化學研究。

1932年，發表了《硼的地球化學》，1954年在他的名著《地球化學》一書中，幾乎論述了所有化學元素的地球化學行為。蘇聯地球化學家В.И.維爾納茨基在《地球化學概論》(1934)一書中，論述了碘和溴的地球化學、游離氧的歷史、錳的地球化學史、矽和地殼中的矽酸鹽、碳以及放射性元素的地球化學。

元素地球化學圖書

1950年，芬蘭的K.蘭卡馬和Th.G.薩哈馬編寫的《地球化學》詳盡地論述了每一種元素的地球化學行為。1964年蘇聯科學院稀有元素礦物學、地球化學和結晶化學研究所編纂出版了《稀有元素的地球化學、礦物學和礦床類型》一書。美國R.W.費爾布里奇主編了一套名為《地質論文集叢》的叢書，其中有《硼的地球化學》、《鐵的地球化學》和《鍺的地球化學》等專冊。

在 60年代末至 70年代初，美國的K.H.韋德波爾主編的《地球化學手冊》系統整理了各個元素的地球化學資料。這些乃是國際上元素地球化學的代表性經典文獻。

中國元素地球化學研究從50年代開始。1963年出版了《中國鈮、鉭、稀土礦床、礦物及地球化學》和《中國鋰、鈹礦床、礦物及地球化學》兩本專著，總結了中國稀有和稀土元素地球化學的研究成果。此後南京大學地質系和中國科學院地球化學研究所都發表了華南花崗岩中微量元素的地球化學研究成果。

1984年，劉英俊等編著的《元素地球化學》是本分支學科的一本比較系統的專著。

研究內容

元素的物理、化學和晶體化學性質

包括元素的原子結構、各種物理及化學參數、晶體化學參數。根據元素的這些參數可以從本質上闡明它們在各種地質作用過程中的行為特徵。

元素地球化學

元素在自然界的分布和分配

研究元素在宇宙、星球、隕石及地球中的豐度和元素在地殼中及不同岩石類型中的平均含量，對比分析在各種地質體中元素分布的不均勻性及其地球化學意義。

元素的遷移形式及元素的賦存狀態

探討地球化學作用中元素的遷移方式、化學反應過程，以及元素遷移活動的溫度、壓力、酸鹼度、氧化還原電位和能量變化等物理化學條件，揭示元素在自然界中各種賦存形式及其所占的比例等。

元素的演化、循環歷史

研究元素在不同時代、不同地質作用過程中的地球化學行為。從空間和時間上把它們聯繫起來，便構成元素的演化歷史和循環規律。對每一種元素都可作出定性和定量的循環圖解。

元素的共生組合關係

是對地質作用及其物理化學條件的反映。元素的共生組合及其含量比例關係的變化，受物質來源以及溫度、壓力等條件的制約。因此，可以作為一種地球化學指示劑。

確定元素的富集途徑及主要礦床類型

進一步指明找礦方向。隨著環境科學的興起，還應闡明元素在生態系統中各個環節的行為及其影響。

研究方法

主要有以下方法：

①為了確定元素的分布、分配及存在形式，套用具有高靈敏度、高精度、經濟、迅速等特點的現代物理、化學的測試方法，這是元素地球化學研究的基礎。

元素地球化學

②各種地球化學模擬實驗，對於了解元素在地質作用中的遷移形式、沉澱富集條件、礦物形成條件及穩定範圍，以及元素的地球化學行為等是很重要的手段。

③運用物理化學、熱力學的基本理論來分析元素的地球化學規律。相律、自由能、生成熱等熱力學計算方法，可以從理論上分析地球化學作用進行的方向和限度，以及元素在共存相（礦物）之間分配規律。

④元素地球化學研究，要處理大量的分析數據，正確地套用數理統計和電子計算機方法，有助於深入地、科學地反映元素的地球化學活動規律。

中國圖

中國元素地球化學圖分等值線圖和色塊圖兩種，分別按鋁〔Al〕、砷（As）、硼〔B〕、鈣（Ca）、鎘〔Cd〕、鈷（Co）、鉻〔Cr〕、銅（Cu）、氟（F）、鐵（Fe）、汞〔Hg〕、鉀（K）、鋰（Li）、鎂（Mg）、錳〔Mn〕、鉬（Mo）、鈉〔Na〕、鎳〔Ni〕、磷〔P〕、鉛（Pb）、鍶〔Sr〕、鈦（Ti）、釩〔V〕、鋅（Zn）共24種元素編製成單一元素圖。

元素地球化學

地質礦產部出自尋找礦產資源的目的，開展了1:200000和1:500000比例尺的水系沉積物測量工作，現已分別獲457萬km2和18km2的分析數據，但主要集中於東部地區，西部荒漠和人跡罕至的地區數據不多。為了能較全面地反映我國元素地球化學分布特徵，還利用了中國科學院南京土壤研究所和全國環境監總站的土壤資料，以填補部分空白。儘管介質不同，但都反映了我們現實生活中的環境狀況。

通過區域化探掃面所獲的水系沉積物數據，以1:200000的國際分幅為基本單元，在1km2內取一個樣，4km2合成一組合分析樣，再按每個圖幅1500－1700個測試數據計算出單元素的平均值，用以代表該1:200000圖幅這一元素的豐度。各個圖幅分析的元素種類略有差異，所獲數據量也稍有不同。總的說來，每一1:200000圖幅單元數據有780個左右。另有數幅為1:500000國際分幅水系沉積物測試數據。因共同遵循了“區域化探全國掃面工作方法若干規定”，在採樣流程、樣品加工流程、測試流程和質量監控流程各個環節中，最大限度地抑制了不應有的誤差，保證了數據的質量。鑒於我們主要探索的是元素背景值的分布規律，因此在每個1:200000圖幅內對數據進行統計時，剔除了那些高於或低於3倍離差的數據，消除了局部異常值。中國科學院南京土壤研究所和全國環境監測總站採集的土壤樣，按土壤類型隨機取樣，編圖中仍以1:200000國際分幅作為基準，將採樣點投影到它所在的1:200000圖幅中，每個圖幅單元素的土壤（A層）背景值一般為4～20個，同樣取其平均值代表這一圖幅的分析數據。因有標樣監控，測試數據也是可信的。

處理後求得全國24種元素以下數據：

X－算術平均值；

S－標準離差；

Cv－變異係數；

n－樣品數；

在運用計算機編制等值線圖時，所有數據均標在1:200000圖幅中心點上，以其所在地理坐標繪製出原始數據的點點陣圖，通過雙標準緯線等積圓錐投影完成坐標轉換，再運用SURFER軟體包中的無偏最佳估值的Kriging插值技術進行處理。Kriging的變數確定為：格線70km×50km，以每一格線中心為搜尋中心，搜尋半徑50km，形成格線化數據。

元素地球化學

圖中元素的含量等級，按常態分配的累計頻率曲線劃分為11個等級，大致又以x+1.5s為高含量，介於其間者為中等含量。各元素分布特徵概況如下。

1. Ca、K、Mg、Na、Sr

除K外，其它4種元素高值區大面積匯集在我國華北西部和西北的乾旱、半乾旱地區。這些元素的含量自西北向東南逐漸降低。總體上，我國南半部為Ca、Na和Sr的低值區，北半部為高值區，Sr和Na的高值區還延伸到我國東北地區。Mg除符合上述總規律外，在中部的局部小範圍內，如湘鄂西部、太行山、燕山、遼東半島等地為中等偏高含量區。我國總體上處於低K水平，K分布與上述元素不同，高值區和低值區呈星點莊分布，相對而言，浙、閩、贛和吉、遼南、內蒙古東北部含量較高，西北、西南、中南含量一般偏低，但海南島南部和廣西南部等地有小片偏高值至高值區。

2. Co、Cr、Fe、Mn、Ni、Ti、V

這些元素的高值區和中值區主要分布在雲貴高原至吉林長白山區北西－南東向帶上。其西北側的青藏高原、新疆南部至內蒙古東部，與其東南側的華南及東南沿海，構成兩條大致平行代規模差別較大的低值帶。新疆北部，Co、Fe、Mn、V的含量也偏高。在東南沿海及華南地區無明顯Ti低值區。

3. Co、Hg、Pb、Zn

這類元素的高值區和中值區主要集中在秦嶺－大別山以南、西藏以東的我國西南、東南和中部地區。此外，Cu在新疆北部和太行山區、Zn在長白山和大、小興安嶺地區出現不同規模的中等值。Cu、Zn低值區分別出現在內蒙古至藏北、浙江至廣西沿海地帶和內蒙古至藏北、山東半島、廣東至廣西沿海一帶。我國東南、中南和西南地區多屬Hg、Pb高值至中值區，且呈大片集中分布；北方地區Hg和Pb含量總體上在平均背景值以下。

4. As、Cd

As高值區和中值區主要出現在西藏及滇、桂、湘等省區。尤其是西藏境內As含量幾乎都高於平均背景值，在內蒙古高原南部和新疆天山山脈北麓局部小範圍內。As含量亦偏高，成為我國主要的飲水型砷中毒區。其他地區As含量則普遍低於平均背景值。Cd高值區主要分布在滇、黔、桂地區，但在陝西、鄂北和浙西等地出現規模不一的零星中值至偏高值區。青藏高原、新疆、內蒙古、東北、華北、及東南沿海一帶大多屬於Cd區。

5. B、F、Li

除華北北部、東北、西北部分地區、山東半島、東南沿海及海南島等地區為這些元素的低值區外，其他絕大部分地區，B、F、Li的含量幾乎都在平均背景值以上。但這些元素的富集狀況及高、中值的地域分布不完全相同。B與Li高背景值分布範圍更為接近，B在西藏的富集程度較高，Li除西藏明顯偏高外，從雲貴高原東部到鄂西及江漢平原也均為其高值帶。F高值區在我國南部地區亦呈零星分散狀，與Li分布狀況類似，但在西藏地區未見F明顯富集。

6. P

元素

P的中值區從雲貴高原直抵東北三省，呈明顯的北東－西南向帶狀展布。高值區出現在阿爾泰山和大、小興安嶺等地。兩條低值帶：一條自山東向東南延伸至海南島地區；另一條從遼西經內蒙古西部、甘肅至青藏高原。

7. Al

我國大多數地區屬Al的平均含量接近背景值或稍高於背景值的中值區，僅滇、粵、閩和遼、吉、黑、內蒙古東北部地區、新疆北部和東部、晉南、川東、藏南地區、豫鄂皖交界地區，Al含量較高[ω(Al)>8%]。Al中值區主要集中在大、小興安嶺，長白山和我國東南部地區。內蒙古高原、黃土高原、青藏高原和四川盆地等地均屬低Al區。總體上說，Al平均含量由西到東有逐減增高的趨勢。

8. Mo

我國東部存在兩條北東－南西向延伸的Mo高背景值帶。一條位於東南沿海；一條由雲貴高原東部經湘西、鄂西、川東、陝南斷續綿延到東北北部。在新疆、西藏、青海也有不連續分布的高背景值區。內蒙古、陝、甘、寧、川西和遼、魯、豫、蘇、皖、贛構成兩個低值區。

意義

元素地球化學是地質礦產勘察及礦床地球化學研究的主要手段。在地質、礦物化學、岩石化學、礦床學、土壤學及環境地球化學等各方面都有廣泛套用。