地球化学示踪与地球物质科学

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推荐答案 2020-01-19

赵伦山

1 现代地球化学的理论思维结构

1.1 地质和成矿过程的复杂性

地球和地质作用可以看成是一种自发演化的物质能量系统。地球化学是自然物质科学，它认为“地球和地质成矿作用是一种复杂的动力学系统”，复杂性表现为：

（1）多重耦合的动力学过程：物理、化学、生物作用同时发生，多种作用间相互制约。

（2）为多元、多相、多种驱动力、开放的、远离平衡态和非线性热力学体系。

（3）在地质学上具有时空多层次结构和多期叠加改造的演化历史。

（4）从作用变化的数学性质看为有序和无序性相交织的演变体系。有序性：周期性，韵律性，过渡性，分维性；无序性：随机性，模糊性，灾变性等。

1.2 研究自然复杂动力学系统的认识思维方法

研究和分析事物的复杂性，是为了针对复杂性规律采用科学的认识论方法解决问题。复杂性理论和系统思维是人类认识方法论的一次飞跃，“物质联系的系统方式”是马克思主义认识论的继承和发展。在具体的学科研究中，如面对复杂的地球和地质作用课题，系统思维与逻辑演绎方法相结合的思维结构是最佳的创新性的思维模式。在地球化学中逻辑演绎思维方法包括，应用现代分析和测试技术不断扩大和深化获取观察资料，应用基础科学原理，以及现代地球科学和地球化学的理论和方法，通过综合分析和实验验证达到新的认识。

1.3 现代地球化学的理论框架和研究方法体系

现代地球化学形成了一套较完整的基础理论和方法体系，对研究和认识地质和成矿过程可作为参照依据。包括：①地质过程具时空多层次结构和物质体系演化理论，及同位素定年方法；②原子结构制约元素的地球化学行为和结合规律，与地球物质存在状态观测方法；③地质作用的地球化学热力学参照系理论和物理化学条件计算方法；④地球化学过程的多重耦合动力学理论及定量模拟方法；⑤地球化学示踪理论和物源、热源追踪方法；⑥自然无机分子经化学衍生和生物学进化形成生命物质理论与有机地球化学方法等。

地球化学通过观察物质场、物质态、物质化学反应和物质流过程，认识地球和地质作用。近年来在研究地球圈层结构、深部地质、大陆动力学、成矿作用、资源勘察、全球变化以及环境等问题取得多方面进展，推动了地球科学理论和应用的发展。建立了新的学科分支，如稀有气体地球化学、生态地球化学、农业地球化学、微生物地球化学、纳米地球化学等。

1.4 地球化学研究的理论和方法思维结构

①确定研究对象的地球化学体系和环境；②进行反射信息测量。根据课题需要应用精密测试方法，获取作用的多种定量属性和条件参数；③建立主控化学反应体系。体系中高丰度组分的化学反应代表过程的基本特征，有主体性和控制性；④运用年代、物源、热源和作用物理化学条件示踪体系，确定作用体系的环境场条件及其制约关系；⑤构筑地球化学模型、地质作用机制模型；⑥建立作用的定量动力学模型、数学模型及预测。

2 地球化学示踪体系

2.1 地球化学示踪剂的性质

地球化学把基础科学示踪原子的方法应用于研究自然过程，利用元素或同位素的组合和丰度变化作为指示剂，追踪地球和宇宙物质的运动和演化；据此可以获取岩石或地质体形成条件和成因信息，称为地球化学示踪。总结出同位素、微量元素、稀有气体等示踪指标，称为地球化学示踪剂。

地球化学示踪剂具有如下性质和功能：①能够携带地质、成矿作用信息，具有一定的成因指示意义；②具有穿越性，能够越过后期地质叠加过程的影响，追踪到前期作用性质和条件；③为定量指标，具有全球和各地质时代通用性。常用示踪指标多是微观的变量，并以原子为单位活动。

2.2 地球化学示踪原理

地球化学示踪，通常应用两元素或同位素丰度比值作为示踪指标，其指示的属性和条件可以用理论计算或标准条件下实验的方法求得参照值，也可以由已知典型地区建立模型进行对比，后者称为模型示踪。地球化学示踪理论和方法的建立，经过了长期的积累：

（1）研究和建立各种指标在地质作用中的行为和分布变化的统计规律。经多年同位素地球化学、微量元素和惰性气体地球化学、有机地球化学等研究积累了大量测定资料。

（2）对各种示踪指标分布进行全球对比，统计其属性基准点和划分地球化学储集库；建立元素的全球循环模式，（计算交换通量及驻留时间）。建立模型：如示踪指标投点图。

（3）研究确定示踪剂原子在地质循环中的分馏控制反应，确定其成因意义；每种示踪剂可归纳出几种重要的控制反应，据此可进行定性的示踪分析。

（4）对分馏控制反应通过实验测定或理论计算的方法求出反应常数，如稳定同位素分馏系数α，放射性同位素衰变常数λ，微量元素在平衡共存相间不均匀分配系数D等，用于无模型示踪定量计算。

（5）建立和使用地球参考系。通过大量测定、统计和对比地球化学示踪指标的全球基准常数值和初始值，求得全球通用的参照值，建立地球化学参考系，这一组数值可以看成是地球的化学常数。如GERM（Geochemical Earth Reference Model）等。

2.3 综合地球化学示踪体系及应用意义

已建立多种地球化学示踪体系和示踪指标，各有不同的示踪意义，实用中可根据研究的具体地质问题进行选择，也可以使用多指标进行综合示踪研究，常用的如：

（1）稳定同位素示踪。利用氢、碳、氮、氧、硫等轻元素稳定同位素比值变化，示踪天然物质形成的地质和地球化学过程。近年来锂、硼、氯、镁、硅、钾、钙、铁、铜、锌和硒等较重元素的稳定同位素比值变化也积累了资料，开始研究其示踪意义。

（2）放射成因同位素示踪。利用天然放射成因稳定核素的同位素组成变化作为示踪剂，研究岩石成因和演化、矿床的成矿过程、追踪物质来源和地球化学储积库（如地幔）随时间的变化，或区分地球与地外组分。放射成因同位素地球化学包括锶、铈、钕、铪、锇和铅同位素，其组成变化与放射性衰变有关，在地球和各子系统中⁸⁷Sr/⁸⁶Sr、¹⁴³Nd/¹⁴⁴Nd、¹⁸⁷Os/¹⁸⁸Os、²⁰⁶Pb/²⁰⁴Pb、²⁰⁷Pb/²⁰⁴Pb、²⁰⁸Pb/²⁰⁴Pb值随时间增长，计算出了理论增长曲线。

（3）宇宙成因同位素示踪。利用铍-10、铝-26、氯-36和碘-129等宇宙成因核素作为地球化学和地球物理过程的示踪剂，除碘-129 外主要用来研究现代或近期地表过程。铍-10（¹⁰Be/⁹Be）半衰期为1.51×10⁶年，用于研究大洋板块俯冲时沉积物与岛弧火山作用关系；也作为气候变化的示踪剂，研究古海洋环流的变化。铝-26（²⁶Al/²⁷Al、²⁶Al/¹⁰Be），半衰期为7.0×10⁵年，用于研究海洋沉积物和古海洋环境变化，也可作为宇宙射线或地球磁场强度的示踪剂。氯-36（³⁶Cl/³⁵Cl）和碘-129（¹²⁹I/¹²⁷I）的半衰期分别为3.01×10⁵年和1.57×10⁷年，可以用来作为追踪人为起因物质进入自然系统（气、土、水）示踪剂。

（4）稀有气体同位素示踪；利用氦、氖、氩、氪、氙的稳定同位素比值，作为地球化学和宇宙化学过程示踪剂。目前应用较多的是氦（³He/⁴He）、氖（²⁰Ne/²⁷Ne和²¹Ne/²²Ne）和氩同位素（⁴⁰Ar/³⁶Ar、⁴He/⁴⁰Ar和⁴He/³⁶Ar）。能提供来自地球内部的信息，了解地球脱气作用历史和不同地幔储库之间混合关系，也用于研究陨石和其他地外物质，提供太阳系早期历史的信息，阐明太阳系物质来源、形成和演化。

此外，微量元素示踪、惰性气体（丰度比）示踪、元素赋存状态、有机化合物指纹示踪、矿物微形貌等都积累了大量的示踪模型，不断扩大应用。

2.4 无模型地球化学示踪

黄土碳同位素剖面分析与第四纪全球变化研究实例：根据黄土剖面中的δ¹³C和δ¹⁸O变化研究第四纪古气候和古环境。证明含有淋滤层和CaCO₃结核的风化古土壤层，代表温湿气候环境和茂盛植被。根据氧、碳同位素成分，刘东生计算了洛川古土壤层形成时期的年平均温度比现在高5℃，年平均降雨量为800mm。

3 地球物质科学的进展和意义

3.1 地球物质科学的学科特点

20世纪地球科学出现了空前发展的局面，全球性和综合性研究为其特点。1984年美国国家科学院提出“地球物质研究”课题。着重从地球整体物质状态出发，研究深部物质的组成、状态和变化的物理化学性质及对地球演化的动力学作用，也包括地球浅部地质作用和矿产形成问题。学科特点为全球整体性、高科技观测实验、多学科综合和动力学思维。

地球物质科学为地球科学发展的一个新阶段、新深度。综合了矿物学、岩石学、地球化学、矿物物理学、岩石物理学、地球物理学和实验地质学等多学科的理论、方法和技术。扩大观察地球物质处于各种物理化学条件下的性质、状态和行为，以阐明地球深部和地表的各种地质现象。地球物质科学开阔了视野和思路，可看成是地球化学发展的新突破。

3.2 地球深部物质科学进展：地球物质研究20多年取得重大进展

（1）超高压实验设备研制。静态超高压大腔体实验设备和金刚石压砧技术，可达到550GPa、3000℃，超过了地核的温压条件（350GPa），并进行实时观测。动高压设备，如高压气炮装置可以产生10TPa的瞬时高压，为地球深部物质状态研究提供了更有利的手段。

（2）应用高温高压设备合成地幔矿物、进行模拟地幔物质的部分熔融实验、研究高温高压体系的化学反应和相变反应。建立了地壳、上、下地幔和内、外地核的新的矿物组成、相态、相变条件及多种物理性质的模型。

（3）将高压实验设备与同步辐射源联机，研究高温高压状态下物质的X射线衍射结构；以及进行实时原位的物质电导率和弹性波速等物理性质测量。

（4）通过观测和计算进行了地球深部物性变化和动力学模拟。如地幔对流模式；应用地震层析理论反演地球内部三维结构模型、核幔边界化学反应动力学，研究了地幔热柱的形成条件及其中元素迁移机理。计算得削减板块插入地幔深度超过675km。

3.3 地球物质状态和行为的新观测一：纳米地球化学

（1）地球气携带纳米物质流。勘查地球化学发现，由地球深部上升的微气流携带沿途物质的纳米级微粒达到地表，带来深部信息。应用专门设备扑集微粒物，用高精密方法测定成分，发现异常，可以检出深埋藏和覆盖矿体，用于覆盖区寻找隐伏矿。20世纪90年代以来，受到欧美国家重视，我国也多次立项。谢学锦等研究开发出了地球气纳微测量、活动态金属测量等技术方法。区域测量实验取得良好效果，在一些覆盖区发现了隐伏矿。地气携带微粒物质流是地球物质行为的新发现，可能成为人类“透视”地球的一种机制。

（2）纳米级矿物生长微形貌。应用具原子级分辨率的扫描隧道显微镜（STM）和原子力显微镜（AFM）使人类可以分辨物质表面纳米级微观现象，以至直接观察原子的行为。在矿物学中的应用，获得了矿物表面结构及晶格的原子排列图像。观察到了多种矿物生长微形貌和晶体缺陷现象。它们传递了矿物结晶和成岩成矿环境条件特征，即具有成因意义，有助于深入研究矿物结晶过程的细微机制，也是一种地球化学示踪剂。

4 天然气水合物地球化学（地球物质状态和行为的新观测二）

4.1 天然气水合物的结构、性质和研究现状

气水合物（Gas Hydrate）是由水和轻的气体分子在低温、高压、气体浓度充足条件下形成的一种结晶状物质。1881年实验室合成了冰状甲烷水合物。1965年苏联在西伯利亚气田首次发现天然气水合物矿藏。认为是未来洁净的替代能源，受到广泛重视。天然气水合物代表地球物质在特定条件下形成和存在的一种形态。近年来对气水合物产出的地质构造和物理化学条件，进行了大量地球化学研究，气水合物藏地球化学勘察方法进行了探索。20世纪90年代以来我国在南海和东海开展了天然气水合物的研究和勘查工作。

甲烷水合物生成反应：CH₄+nH₂O=CH₄·nH₂O，冰状晶体的晶胞结构为鸡笼式五角十二面体，20个水分子包围一个甲烷分子，之间为氢键结合。绘制了水合物稳定场实验相图。

4.2 我国南海天然气水合物藏远景区区域地质地球化学特征：

天然气水合物产出需要一定的地质构造和地球化学条件，我国南海有成藏远景。

南海地质构造背景：我国南海属欧亚大陆边缘海，亚洲的地中海，欧亚、冈瓦纳、太平洋三大板块在此汇聚活动，形成了大量NE、NNE、NS向断裂带、海槽带、凹陷带等。划分出45处新生代沉积海盆地，沉积物厚度平均大于2000m，最厚10000m。南海沉积盆地地球化学条件：海水温度，表层：18～26℃，500m 深处：8～9℃。大地热流值：77.4～85mW/m²，北部大陆坡中等偏低。压力：500m深处为10MPa以上。有机质丰度：沉积物富有机质，已发现大中小油气田。有利于气水合物藏的形成和保存。

4.3 南海气水合物藏地球化学勘查

1998～2000年“大洋一号”船取样200件，应用遥感、气体化探、物探方法勘查水合物藏，其中化探方法和综合找矿取得了较好结果。气水合物化探找矿依据的成晕反应：

CH₄·nH₂O=CH₄+nH₂O

CH₄+2O₂=2H₂O+CO₂

地球科学进展

甲烷水化物通过四组化学反应分解、逸散，在海底沉积物中形成分散的甲烷和CO₂异常。针对甲烷和CO₂的三种形式，使用四种方法圈定异常。①游离烃：卫星热红外测量。②吸附烃、吸馏烃：酸解烃法、热解烃法、放射性热释光法。③综合方法：地质、物探、化探、遥感等异常的综合指标评价。④编制了沉积物酸解烃和放射性热释光异常图及综合异常图。

4.4 我国南海天然气水合物藏地球化学找矿评价

南海地层、构造、油气藏及地球化学条件有利形成和保存水合物藏。水合物远景区分布在北部陆坡区的东沙群岛和西沙海槽区，与已知油气田和构造吻合。在气水合物找矿中：①卫星热红外遥感法和②气体地球化学法：酸解烃法和放射性热释光法效果良好。

南海水合物烃类气体和水合物成因：由深部有机质热解的烃类气体在垂向和侧向压力及温度梯度驱动下迁移上侵，富含过饱和烃气的流体遇卸载区阻挡，温度压力下降，烃类达到过饱和形成天然气水合物。根据碳同位素示踪，以深部热解气源为主，混有浅部生物气。

5 成矿过程地球化学动力学模型

5.1 地球化学动力学的研究思路和理论意义

近20年来，地球动力学理论推动地球科学加速发展，形成了多种新的地学分支领域。地球化学动力学引入化学反应动力学的原理，以自然化学反应的进程、机理和速率关系为核心，分析地质成矿过程的物源、驱动力、各种作用强度、进程和速率对过程的制约机制，并力求以定量的关系进行描述，建立作用机制的动力学模型。动力学思维把复杂的地质成矿过程定量化、模型化、预测化，具有重要的理论和实际意义。

在自然界以有用元素富集为核心的成矿作用，是一种受复杂地质构造和地球化学条件控制的过程，形成一个大而富的矿床，必须在严格有利的动态条件下持续稳定的进行才有可能。成矿作用地质地球化学动力学以元素富集过程的成矿化学反应为中心，定量描述各种地质地球化学因素的制约规律，为矿床地球化学和矿物资源勘察提供新的理论模型。

5.2 热液成矿流体泵吸上侵管流动力学模拟研究实例

以地球化学动力学思路研究山西义兴寨金矿成矿流体泵吸上侵动力学模拟为例。

山西义兴寨金矿成矿反应体系和成矿机理：根据在矿区实际观察的金矿床各构造-成矿期矿石和脉石矿物组合及共生围岩蚀变规律，以及矿床流体包裹体成分和结构的研究，参照成矿作用地球化学理论，建立了包括成矿反应（形成矿石和脉石矿物）、成矿控制反应、和缓冲控制反应（围岩蚀变）的三组主体成矿反应体系。其中成矿控制反应：H₂O（l）=H₂O（g），CO₂（s）=CO₂（g），H₂S（s）=H₂S（g）是流体相和矿化剂沸腾作用，由流体包裹体观察确认；这一组反应受控于地质构造条件和构造应力状态，同时又对另两组反应有控制作用。当张剪性构造引发矿液沸腾，发生矿液沸腾反应，成矿流体体系平衡被破坏，导致成矿反应发生。矿液与围岩的蚀变反应，中和了由于成矿反应体系中积累的H⁺，使成矿反应得以持续正向进行，以及后续不断上侵的矿质连续沉淀，以形成足够规模的矿体。三组反应间有制约关系，并总体上受构造活动控制。

5.3 脉状热液矿床控矿构造应力场计算与地震泵吸上浸模型

（1）义兴寨金矿脉产于一组近南北向张剪性裂隙中，区域上受早燕山北西向走滑断裂控制；

（2）应用石英位错密度法实测了各成矿期构造差应力值Δσ，根据围岩片麻岩弹性应变模型，应用有限元法模拟计算了主成矿期全矿区应力场值的空间分布。经与测区金矿脉的分布对比表明，矿化在低Δσ值区最强，可用于外围金矿预测。

（3）根据金矿脉张性充填构造特征及沸腾包裹体证据，引入矿液“地震泵吸”上浸模型研究构造动力学控矿机制。计算了三种埋深矿液房流体上浸动力模型。

（4）应用流体力学Bernoulli公式描述地深承压的成矿流体在宽裂隙中的上侵运动，可引用有压管流模型进行参数的模拟计算：Bernoulli方程及其物理意义：

地球科学进展

单位质量的流体在不同标高位置上的位能、压强能和动能的总和为常数-能量守恒原理。适用于研究宽裂隙中地质流体垂直运动的动力学问题。

5.4 义兴寨金矿成矿流体管流上侵的动力学模拟：控制矿化分布的定量预测

（1）义兴寨金矿成矿流体地震泵吸上浸的地质构造模型：示意图

（2）根据测区地质构造条件对Bernoulli方程进行变换，将各变量赋予地质意义：得

地球科学进展

式中：Z₁、Z₂为矿液所处矿液房和矿体深度；P₁、P₂为矿液承受压力，P₁设定两个地深深度，据理论计算；P₂根据应力场Δσ计算值代入；V₁、V₂为矿液在矿液房（V₁=0）和侵位的流速，V₂代表矿化强度；g为重力加速度；hw为能量损失；γ、ρ为流体容重和密度，实测；c-谢才系数；R-水力半径；L-流程。

（3）编制了专用Visual Baisic计算程序，计算了测区主成矿期矿液上侵流速场V₂的空间分布，V₂代表矿化强度。计算结果表明，泵吸上侵流速V₂高值的分布地段金矿化最好。进行了测区和外围地区金矿预测。

总之，应用动力学理论和方法，引入基础科学理论模型，可以把地质条件量化，理论公式的变量赋予地质意义。应用模拟计算，定量对比和讨论测区构造、围岩岩性、矿液温度和容重等条件对含矿流体运动的控制机制和矿化分布，并进行外围预测。

参考文献

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