围绕原子在自然环境中的变化及其意义,地球化学研究涉及以下四个基本问题。
0.2.2.1 地球系统中元素及同位素的组成(丰度abundance和分配distribution)问题
作为一门独立的学科,地球化学的研究对象是地球中的原子。地球化学研究的第一个基本任务是研究元素在地球及各子系统(地壳、地幔、地核)中的化学成分和元素平均含量(丰度)。目前,对现今地壳的平均化学成分已取得较多的数据,对地球深部圈层及地球在各主要历史时期的元素含量的了解还处在探索阶段。丰度问题的解决是研究地球物质化学演化历史的基础。有关丰度的研究思路、研究方法及成果将在第一章进行介绍。
在看似纷繁的元素含量数据中,包含着极重要的地质作用信息。如岩石学根据岩石中主要组分SiO2的含量来划分火成岩的岩石大类,地球化学对火成岩中微量元素组成的研究查明:酸性岩中含Be为1.6×10-6~5.5×10-6,Cr为4.1×10-6~38×10-6,而基性岩中Be的含量为0.4×10-6~1.0×10-6,Cr的含量为30×10-6~200×10-6。也就是说,通常情况下根据火成岩中微量元素的含量也能识别岩石大类,而且其鉴别效果与主量元素SiO2指标是等效的。不同的地质构造单元、不同的岩石、矿床和矿物中,元素的含量不同,这是由于不同地球化学体系的化学组成差异造成的。相同类型的地质构造单元、岩石、矿床和矿物中,元素的含量也不完全相同,这是体系所处的热动力学条件差异造成的。探讨元素在地球化学体系中不同相(矿物)之间元素含量的变化及其与热力学条件的依存关系,是元素分配的研究范畴。从动态的角度进行研究还可以得到有关元素分配自然演变的认识。
0.2.2.2 元素的共生组合和赋存形式问题
具有相同或相似迁移历史和分配规律的各种元素在地质体中有规律的组合,称为元素的共生组合。其实质是,在自然环境中由化学作用形成各类化合物时,元素的分配和组合是有规律的,不同组成和不同成因的地质体,各有特定的元素组合。例如,Cu、Pb、Zn等常在热液矿床中富集,Cr、Ni、Co和铂族元素等则倾向在基性、超基性岩中成矿。不同元素的存在形式也各不相同,如在岩石圈中,Ti、Cr、Mn等呈氧化物,Cu、Pb、Zn、Ni、Co等多呈硫化物,铂族元素除少量形成硫化物外,主要以自然元素和金属互化物形式存在。不同的元素共生组合,也是元素在不同热动力条件下遵循一定分配规律的反映。元素在系统中不同部分的分配往往是不均匀的,元素在系统中分配的不均匀性,导致了元素在子系统中的分散和集中。本书第二章将分析地壳元素结合的微观规律,第四章将讨论热力学条件对元素结合规律的控制。
当已形成的地质体解体后,原子将转入活动状态,经重新组合进入新的结合状态,并形成新的地质体。原子在地质体中的存在状态是地质体形成时物理化学条件的反映,因而元素的存在形式能指示地质体的成因。如在自然环境中,金常呈自然金属状态,但在富含Cl-、HS-等配合剂的热液中,Au可被氧化成Au+和Au3+,以络合物的形式迁移。
0.2.2.3 元素的迁移和循环
元素的重新组合常伴随元素的空间位移及元素在系统不同部分状态的转化,这样的过程称作元素的地球化学迁移,它是包含了体系物理化学条件和迁移介质特性等制约关系变化的动态过程。元素的分布、分配、共生组合和分散、集中等特征,实质上是自然界原子结合、转化及迁移运动的结果和表现。元素迁移的自然过程是难以直接观察的,但是只要系统地对比各种地质和地球化学的实际资料,研究产生实际结果的原因和条件,就能够得出元素的迁移规律。例如,通过对一条矿脉的考查,根据矿体和相关岩石中在成矿前后元素含量的变化及围岩的蚀变特征,就能追踪元素迁移的过程;通过矿脉中矿物形成的化学反应可以推断成矿流体的组成和性质;综合对反应和过程的认识,可以判断元素发生活化、转移和富集的化学机制。在不同条件下元素迁移过程的相互转换,有些元素的迁移链可以首尾相接,构成迁移循环。
元素的迁移是地球化学研究的核心问题之一,除了封闭系统的化学作用外,自然界化学作用过程常伴随有元素的迁移活动。本书大部分章节讨论的地球化学过程,都涉及元素的迁移问题。
0.2.2.4 地球的历史与演化
地球的历史是一个由大量地质事件构成的漫长的时间序列,它具有灾变和渐变相间、分阶段循环叠加、总体呈单向发展的特征,地球科学在认识这一复杂过程时,主要依据能保留事件踪迹的证据。元素和同位素的迁移活动寓于地质作用之中,地质事件对微量元素及核素的影响有可能跨越后期作用而被保留下来,因此同位素和微量元素组成上的变异常常能提供最接近事实的证据。同位素地球化学和微量元素地球化学已为“考证”前寒武纪历史和前地质时期的地球历史提供了一套完整的理论和工作方法。通过微量元素或同位素的变异来揭示地质作用过程的特征,称为微量元素或同位素“示踪”,这一领域的研究思路和基本研究方法将在本书第五章和第六章进行介绍。第九章则在较大的时间尺度上讨论地球的化学演化问题。
综上所述,地球化学通过观察原子之“微”,以求认识地球和地质作用之“著”,地球化学总的科学思路可概括为:以化学、物理化学等基本原理为基础,以研究原子(包括元素和同位素)的行为为手段,来认识地球的组成、历史和地球化学作用过程。