沉積地球化學

地球化學的一個研究領域。研究地球沉積圈的化學組成，化學作用和化學演化 。地表由於岩石圈、水圈、大氣圈和生物圈的相互作用結果，產生和形成了鬆散的沉積物（土圈）和成層的沉積岩（成層岩石圈）。由它們組成厚度不一和較為連續的沉積圈，覆蓋在地球的表層。

沉積圈中的地球化學作用有若干特點：①氣態、液態和固態3種物質穩定的共存;②引起反應的能量來源多種多樣（地能、宇宙能、生物能等）；③普遍存在遊離氧和水；④各種反應在低温、低壓條件下進行；⑤生物作用的影響特別重要。為了強調這些特點，沉積地球化學也稱外生地球化學或表生地球化學。

沉積圈的總體積為(3～4.17)×108立方公里，總質量為(1.7～2.4)×1018噸,約佔地殼總質量的10%或地球總質量的0.04%。整個沉積圈的平均厚度為2.2公里,但在不同地質單元中質量分配相當不均勻,沉積圈的平均厚度大陸區大於大陸邊緣,大陸邊緣又大於大洋區，相應厚度比例為5:2.5:0.4。

沉積圈各種沉積類型的化學成分變化極大，最主要的氧化物如SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO－MgO(+CO2)等的含量變化範圍可由 1%以下到99%以上。這種特點反映沉積地球化學作用有明顯的分異趨勢。沉積岩中Fe2O3、CO2、H2O、有機質等含量較高，Fe2O3＞FeO，K2O＞Na2O，這是由沉積圈化學作用的特點，如水的積極參與、氧化作用強、生物作用和粘土礦物的影響等所決定的。

沉積圈中微量元素的含量因沉積物類型不同而有較大差別，一般趨勢是相當多的微量元素在粘土巖中富集。某些沉積岩類富集特定的微量元素，如黑色頁岩富含鎳、鉬、釩、鈾；鋁質巖富鈦、鎵；磷塊巖富稀土、鈾、碘等。控制微量元素在沉積圈中分佈的主要因素是自然地理環境和元素本身的地球化學性質。

沉積作用地球化學 　沉積作用由風化、搬運、沉積、成巖、後生改造等階段構成。風化過程的化學反應主要是水解、氧化、離子交換、水合、碳酸鹽化、絡離子形成和簡單的化學溶解等化學反應。生物活動和生物死亡後機體腐解對風化作用影響很大，在一定程度上決定着風化過程化學作用的性質、方向和速率。通常岩石中的硫、氯、鈣、鈉、鎂等易於溶解；鋁、鐵、鋯、鈦等很難溶解而保存在碎屑中；在還原條件下鐵、錳等元素的活動性很大，易於進入溶液，但在氧化介質中鐵、錳的活動性很小而殘留在原地。與之相反，銅、鉛、鋅等元素在氧化條件下易於活動，而還原條件下則為不活動的組分。

風化產物絕大部分將被水搬運，抗風化能力強的化學性質穩定的礦物（如石英、鹼性長石和重礦物）和地表條件穩定的粘土礦物，包括沿河流底部拖曳的和在河水中懸浮的物質，主要呈機械形式搬運。化學上較不穩定的物質（包括離子、絡離子和溶解分子等）以真溶液或膠體溶液方式被搬運。以機械方式和化學方式搬運的物質，在一定的條件下可以相互轉化。

被搬運的物質最終都轉變為沉積物。機械搬運的物質因水動力條件的改變，按顆粒大小、形態和比重分異（機械分異），形成碎屑沉積物。化學搬運的物質因環境條件變化發生化學分異而沉積。經過機械分異和化學分異，沉積物的空間分佈顯示清楚的分帶。大陸沉積物主要是自然地理分帶（如冰川、沙漠、黃土、紅土等）。海洋沉積物的分帶有環大陸分帶（如砂礫碎屑物、有機質），緯度分帶（如碳酸鹽、冰磧物）和深度分帶（從淺到深依次為文石、方解石、硅質物和深海粘土）。

沉積岩中元素的分配，特別是微量元素的分配與沉積物的粒度關係很密切。在細碎屑物中（粉砂和粘土）富集的微量元素種類多，丰度大，這種現象被稱為元素分配的粒級規律。這種一般性的規律在局部地區因沉積物的特性和環境的變化可以增強或減弱。

在成岩作用過程中的化學變化主要是：①由微生物生命活動和有機物質的轉變、分解所引起的還原作用；②含水化合物的脱水和膠體的老化；③無序的、不穩定的物質轉變為有序的和穩定的物質；④成分不斷變化的孔隙溶液與某些沉積物反應生成自生礦物；⑤元素的遷移、再分配和重新聚集等。成岩作用中元素的行為在大洋、陸棚和大陸有差別。同一環境中沉積物類型不同，其中的化學作用、轉變為岩石的速率也不一致。通常大陸的成巖速度比海洋的要快，海洋中淺海碳酸鹽比砂岩和細碎屑岩固結得更早。某些組分成巖變化有一定規律，如SiO2由A型蛋白石到CT型蛋白石到石英的轉變;碳酸鹽由文石到低鎂方解石的轉變，由高鎂方解石到方解石和白雲石的轉變，由原白雲石到白雲石的轉變；粘土礦物中高嶺石、蒙脱石到伊利石的轉變等。沉積岩中的結核是物質重新分配的產物。某些礦石如鐵錳碳酸鹽、某些磷塊巖和多金屬硫化物是成岩作用形成或加富的結果。

循環在已固結岩層中的流體是非常重要的地質和地球化學參數。洋中脊、島弧及陸殼上的熱水成礦作用的發現，為認識元素的活化、遷移和重新聚集提供了天然的實驗室。在高地熱場的背景中，存在於岩層中的各種來源的流體被加熱，在側向、向上運移的過程中能有效的溶解和搬運許多成礦元素。當到達近地表或海底處，由於物理化學狀態的改變，將釋放出所攜帶的元素而以充填、交代或沉積方式堆積下來。這種流體循環體系構成一種溝通深部和淺部地質地球化學作用的垂直傳送帶。目前已在洋中脊、島弧和近岸陸棚區發現近 100多處較大規模熱水沉積物，其中有些具有巨大的潛在工業價值。這種成礦作用對於人們認識地球歷史中的成礦作用的演化，有重要的啓示，並將成為今後沉積地球化學的新的研究領域。

大陸超深鑽的資料對認識沉積岩的改造或後生變化提供了依據。一般在地層的淺處碳酸鹽是化學上的活潑組分,常交代其他成分。在中深範圍（約3～5千米）SiO2變為活性組分，以再生長大或硅化形式取代碳酸鹽等成分。更深處碳酸鹽又活躍起來。在超過10千米的深處還發現有沿斷裂的水熱蝕變和硫化物礦化。

沉積作用的地球化學特點是所發生的化學變化大都是反應不完全的，達不到化學平衡的。這是因為沉積圈的温度、壓力較低，化學反應的速度較慢，同時，反應的產物常是亞穩定的，將經過一系列的中間產物向穩定態轉變。

指能反映沉積與成巖化學條件的特徵相近的沉積組合。地表各種主要地質地理環境中都有沉積物的堆積，沉積地球化學相可根據沉積物(巖)中的自生礦物、元素組合和同位素來識別，也可把沉積介質的酸鹼度(pH)、氧化還原電位(Eh)作為劃分標誌。人們把表生帶按pH－Eh組合劃分為鹼性還原相（以黃鐵礦、有機物質、鐵綠泥石等為標誌）；鹼性氧化相（以鈣、鎂碳酸鹽為標誌）；酸性還原相（以高嶺土、水鋁礦為主的漂白層為特徵）；酸性氧化相（以鐵錳、鋁的氧化物、鋁的磷酸鹽為標誌）。還可再細分為強還原的硫化氫相或黃鐵礦相，弱還原的菱鐵礦相，弱氧化的海綠石相和強氧化的針鐵礦（赤鐵礦）相等。沉積地球化學相的確定，可以判斷元素遷移或聚集的趨勢，如鐵、錳礦牀的富礦需要氧化環境，而石油的生油層、沉積鈾礦牀、硫化物礦牀堆積在還原環境等。

一套沉積岩的自然共生組合叫做沉積建造。根據沉積組合富集某些特定元素可劃分出各種沉積建造，如含鐵建造、 含磷建造、 含鹽建造等。這對區域地球化學環境和成礦預測有重要意義。從鋁－鐵－錳和二氧化硅－磷－鈣－鎂等元素組合的行為還可劃分潮濕和乾旱氣候帶的沉積類型。利用沉積岩的化學成分，討論沉積盆地的大地構造背景，已積累了一些經驗，例如據砂岩的SiO2/Al2O3，K2O/Na2O及一些微量元素的含量，成功地區別了砂岩是堆積在板塊主動邊緣，還是被動邊緣或是岩漿弧。

沉積圈是地質歷史過程的產物，也是地質歷史最完整的記錄。從最古老的地殼到現在都有沉積岩形成。沉積圈中的沉積類型和質量配比與地質歷史有複雜的函數關係。沉積物數量隨時代變新而成指數增加，在這一總的趨勢中顯生宙沉積物量又有周期性的波動，沉積量較大的時期是泥盆紀、三疊紀、第三紀和第四紀，沉積圈中的化學元素與同位素也有明顯的地史演化趨勢，如鈣、鉀有機質等隨時代變新而呈現線性增加或波動增加，鋁、鐵、鈉、鎂等元素都有明顯的減少趨勢（見圖）。沉積岩中的氧、硫、鍶同位素也同樣有明顯的年代效應。沉積圈的化學成分和同位素成分與地質年代的函數關係，反映了沉積圈的演化有階段性、週期性和不可逆的方向性。這是由於地殼、水圈、大氣圈和生物圈的發育有方向性、週期性和階段性的性質所決定的。

沉積剖面中的一些稀罕的或奇異事件的識別已成為地學的熱門課題。白堊紀第三紀界限層粘土中銥含量，碳、氧同位素和鉑族元素的異常，為小行星撞擊引起恐龍滅絕的災變理論的創立起了關鍵的作用。在一些重要的地質時期界面，如二疊-三疊紀,寒武紀與晚元古代也有類似異常的報道，可以預料，事件沉積的研究將使沉積地球化學得到更大的發展。 ^[1]