海洋沉積地球化學

海洋沉積地球化學是研究海洋沉積物的化學組成、化學作用和化學演化的學科。海洋沉積地球化學的研究對尋找和評價海洋沉積礦產有指導作用；海洋中有害元素沉積地球化學的研究可對海洋環境保護提供科學依據，由於現代海洋是古海洋“天然的模擬實驗室”，故現代海洋沉積地球化學的研究可以“將今論古”；有機沉積地球化學的研究，又可以探索石油成因甚至生命起源問題。

基本介紹

• 中文名：海洋沉積地球化學
• 研究內容：元素的物質來源、含量、組合、
• 化學的研究：包括海洋沉積物中元素的
• 研究歷史：1891年 J.默里和 A.F.勒納爾

研究內容

元素的物質來源、含量、組合、分布及其存在形式；元素的遷移運動方式、沉積的物理化學環境以及控制發生沉積的各種化學機理；各類沉積物的化學特徵和元素的分散與富集規律；沉積物與海水之間的物質交換與平衡；成岩成礦過程中元素的行為和再分配以及元素的演化史；研究與海洋沉積地球化學有關的各種分析方法、測試技術和模擬實驗等。海洋沉積地球化學的研究既是海洋沉積學的重要內容，也是海洋地球化學的組成部分，它是海洋沉積學和海洋地球化學之間的一門邊緣學科。

海底著陸器

研究領域比較廣闊，主要為以下幾個方面：

元素地球化學的研究

包括海洋沉積物中元素的豐度、來源、搬運形式、沉積機理和沉積後的變化。元素的豐度特徵是地球化學最基本的特徵之一，不同沉積環境所生成的沉積物具有不同的豐度，如大陸架沉積物中元素豐度分布的模式不同於大洋沉積物元素豐度分布的模式，前者呈現Eu的負異常，後者呈現Ce的負異常和Cu的正異常等。1961年美國K.K.塗爾坎和德國K.H.韋德波爾發表了深海沉積物中60餘種化學元素豐度的定量資料，這是對60年代以前深海沉積物中元素地球化學工作的一個基本總結。60年代以後陸架淺海沉積元素地球化學的研究工作也積極開展起來，相繼取得了一些元素含量和分布的資料。研究表明，海洋中的化學元素，主要來自大陸、海底火山、海底熱泉、宇宙、大氣等；元素的搬運形式有碎屑態、膠體態、真溶液態和吸附態；元素的沉積機理有重力沉積、化學沉積和生物沉積等；元素沉積後仍可發生遷移，一直到趨於新的地球化學平衡。當前結合礦產資源、環境保護和生物資源的調查研究，對元素地球化學的詳細研究多集中在對成礦元素、有害元素和營養元素上。顯然，提高元素分析的靈敏度和準確度，進而分析沉積物各種組分中元素的含量，是海洋沉積元素地球化學研究朝縱深發展的方向。

海底礦產磷結核

礦產地球化學的研究

尋找和評價海底沉積礦產是海洋沉積地球化學研究的主要目的之一。現代海底礦產有錳結核、磷結核、多金屬硫化物、海底砂礦等，其中特別是深海錳結核地球化學的研究因其具有潛在的巨大經濟意義而日益廣泛和深入。已測定錳結核中50餘種化學成分，對錳結核的地球化學特徵取得了若干重要的認識：①富含Mn、Cu、Ni等金屬，具有經濟價值的結核，主要分布於太平洋，而印度洋和大西洋較少；②有價值的錳結核產於沉積速率低的地區；③結核化學成分有明顯的區域性變化，有些地區結核富Fe、Co，有些地區結核富Mn、Cu、Ni；④結核的生長速率極其緩慢，一般約為4毫米/106年，僅為其伴生沉積物沉積速率的千分之一左右。但影響結核生長和成分變化的主要機制、海底火山及熱泉對Mn、Fe、Cu、Co、Ni等金屬元素的貢獻、生物地球化學作用在結核形成中的意義、結核分布與海底擴張板塊構造的關係以及結核不被伴生沉積物埋藏的原因等，都是急待解決的問題。為了實地深入研究大洋錳結核的地球化學，已經研製成功“錳結核研究海底著陸器”，利用該種裝置可在海底實地研究沉積物-結核-海水界面化學和生物的作用以及這些作用與結核形成的內在聯繫。此外，對以磷為主的磷酸鹽結核和富含Sn、Ti、Zr、稀土等元素的海底砂礦，也不斷進行研究。與海底熱泉有關的深海多金屬硫化物礦床，近年來尤其引人注目。這種礦床富含Zn、Cu、Co、Pb、Fe、Mn、Cd、Ag、Au等多種金屬，常分布於海底擴張帶或火山區附近，其上覆蓋著一層高溫高鹽的熱滷水，關於熱水的來源以及多金屬硫化物的成因等，都是海洋沉積礦產地球化學研究的新課題。

有機地球化學的研究

有機成分和無機成分共同組成沉積物的物質成分。在沉積物和沉積岩中已發現 500多種有機化合物。除研究有機成分的含量和分布規律外，有機地球化學的研究主要集中在以下幾個課題：①研究沉積物中有機質向烴的轉化，探討石油的成因，一般認為有機質經過一系列改造形成乾酪根，乾酪根在成岩過程中經過熱解生成烴。有些學者成功地從現代海洋沉積物中分離鑑定出類似於原油的微量烴類化合物，從而支持了有機成油的觀點。②研究有機質在元素遷移、富集中的作用。該作用基本有三：一是與某些元素形成絡合物遷移、富集；二是吸附一些元素遷移、富集；三是有機質經常造成還原環境而引起某些元素的遷移、富集。③關於有機化合物的套用研究。例如，利用胺基酸的外消旋化作用測定沉積物的年代和沉積時的古溫度；利用一系列屬於陸地成因的有機化合物（包括苝、烷烴、二萜類等）去探討現代深海濁流沉積的成因等。海洋沉積有機地球化學的研究比無機成分的研究較緩，加強對有機碳的成因、演化模式的研究，並將其與生命起源的重大理論問題結合起來具有重要意義。

同位素地球化學的研究

沉積物中的放射性同位素遵循一定的衰變規律，因而可作為天然的地質時鐘測定沉積物的年齡，並進而計算沉積速率。測年的方法諸如14C法，230Th法，231Pa/230Th法，230Th/232Th法，226Ra法，210Pb法，10Be法，234U/235U法，40K/40Ar法等（見海洋沉積物同位素年代測定）。其次利用某些相對短壽命的同位素可以測定發生於海底表層沉積物的混合作用，如根據210Pb(半衰期為22.3年)可以測定深海大洋的混合層厚度及混合速率；根據234Th（半衰期為24.1天）可以測定陸架淺海的混合層厚度及混合速率。此外還有用同位素作為示蹤劑研究沉積物與海水之間元素的物質通量與平衡。除了上述放射性同位素外，近年沉積物中穩定同位素的研究已蒸蒸日上，碳、氧、硫的同位素除用於判別海陸相沉積和物質來源外，更重要的是還可利用18O/16O、2H/1H比值測定沉積時的古溫度(見核素在海洋學中的套用)，利用13C/12C比值可測定生物的生產力。各種同位素方法的研究，多數尚屬於探索階段，而且有些方法有一定的局限性，因此不斷深入開展同位素地球化學的研究，有著廣闊的前景。

海洋沉積環境地球化學的研究

沉積的物理化學環境對元素的遷移、存在形式、演化等方面有著制約的關係。在現代海洋條件下，介質的酸鹼度(pH)和氧化還原條件(Eh)明顯控制元素的分布，因此通常研究pH、Eh及若干變價元素（如 Fe、Mn、U等）用於指示沉積環境的酸鹼度和氧化還原狀況。其次大陸與海洋沉積環境的差異，必然導致某些化學成分的差異，故常研究一些微量元素、同位素和有機化合物用於指示海陸變遷，如海相沉積層中B、Sr/Ba、Fe(黃鐵礦)/C（有機）、13C/12C、18O/16O、精氨酸、姥鮫烷等均相對高，而陸相中Ga、Th/U、植烷等均相對高。此外溫度是影響胺基酸外消旋化作用的一個參數，所以可通過胺基酸測古溫度。特別是隨著穩定同位素研究的進展，利用氧、氫同位素測定古溫度已成為沉積環境地球化學研究的前沿課題。

成岩作用地球化學的研究

化學元素沉積之後不是一成不變的，在鬆散沉積物的深埋-壓實-成岩過程中，伴隨著壓力、溫度、pH、Eh、孔隙度的變化以及間隙水的排出和形成，會引起某些元素的重新遷移和再分配，甚至有些元素可以高度集中而形成礦產。如Fe、Mn沉積後，多以難溶的高價態Fe3+、Mn4+存在，當沉積物被埋藏後，由於逐漸缺O2，加之有機質分解和細菌還原SO娺-產生H2S，可使原來的氧化環境變為還原環境，於是高價的Fe3+、Mn4+被還原為易溶的低價的 Fe2+、Mn2+而進入間隙水，這樣間隙水中鐵錳離子的濃度增大，造成與表層的濃度差，因而Fe2+、Mn2+就向上擴散遷移，至表層即重新被氧化而富集，這種過程不斷進行，就可以形成鐵錳結核。可見，間隙水在成岩過程中是個很重要的因素，許多元素只有通過這種介質，才能較大量的擴散和遷移。另外成岩中還廣泛地發生粘土礦物的轉化和非晶質氧化矽的轉化，同時伴隨發生許多元素的轉化，這方面的研究工作日益增多。

研究歷史

1891年 J.默里和 A.F.勒納爾對1872～1876年英國“挑戰者”號考察時

所採集的沉積物及錳結核進行了若干化學成分的分析與研究，這標誌著海洋沉積地球化學研究的開始。至20世紀50年代，又有十多次重要的深海考察，也陸續發表了沉積物化學成分的資料，使海洋沉積地球化學的研究不斷進展。

可燃冰

50年代以來，隨著對開發海洋礦產資源的重視和科學技術的提高，海洋沉積地球化學獲得了長足的發展，其表現為：

①採用一系列新的測試技術（如原子吸收分光光度分析、能譜分析、質

譜分析、色譜分析、電子探針分析、中子活化分析等）測定更多的元素，其中包括大量的微量元素和同位素；

②從主要研究沉積物的化學成分，發展為研究化學作用和化學演化；

③在開展深海大洋研究的同時，廣泛開展了陸架淺海沉積地球化學的研究；

④對具有經濟價值的大洋錳結核的地球化學進行了大力研究。

模擬實驗

實地觀察、室內測定和模擬實驗是沉積地球化學研究的三大手段，有些沉積地球化學的現象需要模擬實驗加以證實，通常進行的模擬實驗很多，如不同pH、Eh條件下某些元素的穩定形態及其地球化學行為；各種粘土礦物及膠體對元素的吸附性能；海水對海底火山物質的浸取機制；成岩早期壓實作用下沉積物的物理化學變化；海底非晶質 FeS的晶出過程等。在有機地球化學方面，模擬實驗的套用尤為廣泛，如海洋泥質沉積物中有機質熱解轉化生烴的實驗；有機質對金屬富集成礦的實驗以及有機質影響海水中碳酸鹽沉積的模擬實驗等。在有機地球化學研究上已採用現代沉積有機質-沉積岩中有機質-有機模擬實驗三位一體的綜合研究方法。但是，這些實驗多半還是初步的，需廣泛引進有關學科的先進理論和技術，採用數學原理，促使沉積地球化學進入一個對自然過程進行廣泛的數字模擬的新階段。