地球化學研究方法

① 地球化學的研究思路

地球化學是20世紀初期由地質學與化學類學科結合產生的一門邊緣學科。現在它已經形成了自己獨立的研究思路和研究方法,地球化學的基本研究思路可概括為:

(1)自然過程在形成宏觀地質體的同時也留下了微觀蹤跡,其中包括了許多地球化學信息。如造成了系統各部分常量、微量元素和同位素組成的變化,元素相互結合和賦存狀態的改變,等等。這些微觀蹤跡中包含著重要的地球演化信息,地球化學就是通過▓識這些微觀蹤跡來追索地球歷史的。

(2)自然界物質的運動和存在狀態是環境和體系介質條件的函數。地球化學將任何自然過程都看成是熱力學過程,應用現代科學理論來解釋自然體系化學變化的原因和條件,使有可能在更深層次上探討和認識自然作用的機制。

(3)地球化學問題必須置於地球或其子系統(區域岩石圈、殼、幔)中進行分析,以系統的組成和狀態來約束作用過程的特徵和元素的行為。

由於地質作用規模宏大、時間持久、作用因素復雜且多次作用疊加,地球化學研究必須觀察和分析多種變數,確立多層次的指標,才有可能追蹤地球的歷史。

② 什麼是地球化學

地球化學是研究地球的化學組成、化學作用和化學演化的科學,它是地質學與化學、物理學相結合而產生和發展起來的邊緣學科.自20世紀70年代中期以來,地球化學和地質學、地球物理學已成為固體地球科學的 三大支柱.它的研究范圍也從地球擴展到月球和太陽系的其他天體.
地球化學的理論和方法,對礦產的尋找、評價和開發,農業發展和環境科學等有重要意義.地球科學基礎理論的一些重大研究成果,如界限事件、洋底擴張、岩石圈演化等均與地球化學的研究有關.
地球化學發展簡史
從19世紀開始,一些工業國家逐漸開展系統的地質調查和填圖、礦產資源的尋找及開發利用促進了地球化學的萌芽.1838年,德國舍恩拜因首先提出「地球化學」這個名詞.19世紀中葉以後,分析化學中的重量分析、容量分析逐漸完善；化學元素周期律的發現以及原子結構理論的重大突破,為地球化學的形成奠定了基礎.
1908年,美國克拉克發表《地球化學資料》一書.在這部著作中,克拉克廣泛地匯集和計算了地殼及其各部分的化學組成,明確提出地球化學應研究地球的化學作用和化學演化,為地球化學的發展指出了方向.挪威戈爾德施密特在《元素的地球化學分布規則》中指出化學元素在地球上的分布,不僅與其原子的物理化學性質有關,而且還與它在 晶格中的行為特性有關.這使地球化學從主要研究地殼的化學紐成轉向探討化學元素在地球中分布的控制規律.
1922年費爾斯曼發表《俄羅斯地球化學》一書,系統論述了各地區的地球化學,是第一部區域地球化學基礎著作.1924年維爾納茨基發表了《地球化學概論》一書,首次為地球化學提出了研究原子歷史的任務,最先注意到生物對於地殼、生物圈中化學元素遷移、富集和分散的巨大作用.1927年他組織和領導了世界上第一個地球化學研究機構——生物地球化學實驗室.
與此同時,放射性衰變規律的認識、同位素的發現、質譜儀的發明與改進,導致了同位素地球化學,特別是同位素地質年代學的開拓.1907年美國化學家博爾特伍德發表了第一批化學鈾-鉛法年齡數據.30～40年代鈾-釷-鉛法、鉀-氬法、 鉀-鍶法、普通鉛法、碳-14法等逐步發展完善,使同位素地質年代學初具規模.
20世紀50年代以後,地球化學除了繼續把礦產資源作為重要研究對象以外,還開辟了環境保護、地震預報、海洋開發、農業開發、生命起源、地球深部和球外空間等領域的研究.地球化學分析手段飛速發展,廣泛應用超微量、高靈敏度的分析測試技術和儀器,配合電子計算機的使用,不僅可獲得大量高精度的分析數據,而且可以直接揭示樣品中難於觀測的元素及其同位素組成的細微變化和超微結構.
在這個時期,中國在元素地球化學、同位素地質年代學方面也取得了一批重要成果,如1961年李璞等發表了中國第一批同位素年齡數據；1962年黎彤等發表了中國各種岩漿岩平均化學成分資料；1963年中國科學院完成了中國鋰鈹鈮鉭稀土元素地球化學總結,提出了這些礦種的重要礦床類型和分布規律.
地球化學的基本內容
地球化學主要研究地球和地質體中元素及其同位素的組成,定量地測定元素及其同位素在地球各個部分(如水圈、氣圈、生物圈、岩石圈)和地質體中的分布；研究地球表面和內部及某些天體中進行的化學作用,揭示元素及其同位素的遷移、富集和分散規律；研究地球乃至天體的化學演化,即研究地球各個部分,如大氣圈、水圈、地殼、地幔、地核中和各種岩類以及各種地質體中化學元素的平衡、旋迴,在時間和空間上的變化規律.
基於研究對象和手段不同,地球化學形成了一些分支學科.
元素地球化學是從岩石等天然樣品中化學元素含量與組合出發,研究各個元素在地球各部分以及宇宙天體中的分布、遷移與演化.在礦產資源研究中,元素地球化學發揮了重要作用,微量元素地球化學研究提供了成岩、成礦作用的地球化學指示劑,並為成岩、成礦作用的定量模型奠定了基礎.
同位素地球化學是根據自然界的核衰變、裂變及其他核反應過程所引起的同位素變異,以及物理、化學和生物過程引起的同位素分餾,研究天體、地球以及各種地質體的形成時間、物質來源與演化歷史.同位素地質年代學已建立了一整套同位素年齡測定方法,為地球與天體的演化提供了重要的時間座標.
比如已經測得太陽系各行星形成的年齡為45～46億年,太陽系元素的年齡為50～58億年等等.另外在礦產資源研究中,同位素地球化學可以提供成岩、成礦作用的多方面信息,為探索某些地質體和礦床的形成機制和物質來源提供依據.
有機地球化學是研究自然界產出的有機質的組成、結構、性質、空間分布、在地球歷史中的演化規律以及它們參與地質作用對元素分散富集的影響.生命起源的研究就是有機地球化學的重要內容之一.有機地球化學建立的一套生油指標,為油氣的尋找和評價提供了重要手段.
天體化學是研究元素和核素的起源,元素的宇宙豐度,宇宙物質的元素組成和同位親組成及其變異,天體形成的物理化學條件及在空間、時間的分布、變化規律.
環境地球化學是研究人類生存環境的化學組成化學作用、化學演化及其與人類的相互關系,以及人類活動對環境狀態的影響及相應對策.環境地球化學揭示了某些疾病的地區性分布特徵及其與環境要素間的關系.
礦床地球化學是研究礦床的化學組成、化學作用和化學演化.著重探討成礦的時間、物理化學條件、礦質來源和機理等問題.它綜合元素地球化學、同位素地球化學、勘查地球化學和實驗地球化學等分支學科的研究方法和成果,為礦產的尋找、評價、開發利用服務.
區域地球化學是研究一定地區某些地質體和圈層的化學組成、化學作用和化學演化,以及元素、同位素的循環、再分配、富集和分散的規律.它為解決區域各類基礎地質問題、區域成礦規律和找礦問題以及區域地球化學分區與環境評價等服務.區域地球化學揭示的元素在空間分布的不均勻性,為劃分元素地球化學區和成礦遠景區提供了依據.
勘查地球化學是通過對成礦元素和相關元素在不同地質體及區帶的含量和分布研究,找出異常地段,以便縮小和確定找礦及勘探對象.除直接為礦產資源服務外,它也是環境評價及國土規劃的重要參考.
地球化學的一些重大成果是各分支學科綜合研究的結果.如隕石、月岩與地球形成的同位素年齡的一致,表明太陽系各成員形成獨立宇宙體的時間是大致相同的.又如微量元素和同位素研究,導致發現地幔組成的不均一性(垂向的和區域的),提出了雙層地幔模型,加深了對地球內部的認識.天體化學、微量元素和同位素地球化學研究,還為新災變論提供了依據.
在研究方法上,地球化學綜合地質學、化學和物理學等的基本研究方法和技術,形成的一套較為完整和系統的地球化學研究方法.這些方法主要包括：野外地質觀察、采樣；天然樣品的元素、同位素組成分析和存在狀態研究；元素遷移、富集地球化學過程的實驗模擬等.
在思維方法上,對大量自然現象的觀察資料和岩石、礦物中元素含量分析數據的綜合整理,廣泛採用歸納法,得出規律,建立各種模型,用文字或圖表來表達,稱為模式原則.
隨著研究資料的積累和地球化學基礎理論的成熟和完善,特別是地球化學過程實驗模擬方法的建立,地球化學研究方法由定性轉入定量化、參數化,大大加深了對自然作用機制的理解,現代地球化學廣泛引入精密科學的理論和思維方法研究自然地質現象,如量子力學、化學熱力學、化學動力學核子物理學等,以及電子計算技術的應用使地球化學提高了推斷能力和預測水平.
當前地球化學的研究正在經歷三個較大的轉變：由大陸轉向海洋；由地表、地殼轉向地殼深部、地幔；由地球轉向球外空間.地球化學的分析測試手段也將更為精確快速,微量、超微量分析測試技術的發展,將可獲得超微區范圍內和超微量樣品中元素、同位素分布和組成資料.低溫地球化學、地球化學動力學、超高壓地球化學、稀有氣體地球化學、比較行星學等很有發展前景.

③ 地球化學動力學研究步驟和方法

圖4.11 地球化學動力學研究的步驟和方法框圖

地球化學動力學研究步驟如圖4.11所示:首先根據研究的地質-地球化學問題,視問題的主次,忽略次要的、突出主要的,使問題合理簡化,形成地球化學動力學的概念模型(conceptual modesl)。如在研究熱液成礦系統的熱流體對流遷移過程時可側重熱驅動流體的動力學過程,而忽略流體與圍岩的化學反應;在研究礦物蝕變導致礦物自中心到邊緣成分變化、礦物與流體同位素交換等過程時則主要考慮組分的擴散和離子交換反應;研究矽卡岩化過程除考慮流體的滲濾外,還要考慮流體中主要組分K、Na、Ca、Mg、Si、lA的擴散和流體與圍岩的化學作用。對經歷了多期次、多階段、多物質來源的地球化學作用的地球化學系統要重點研究主要階段和主要物質來源。對諸如區域地球化學演化這樣復雜的動力學問題,應對所涉及的各個子系統和過程分別建立動力學模型,從各個側面去把握復雜體系的動力學行為。

圖4.12 典型的水-岩反應動力學實驗裝置示意圖

建立地球化學動力學概念模型,主要有兩條研究途徑:一是應用化學動力學、流體動力學等原理及其相應的數學表述,建立地球化學動力學的數學模型,也稱動力學模型(dynamic models),並在此基礎上,應用有限元、有限差分等數值計算方法,通過計算機數值模擬,獲得動力學系統的演化規律;另一途徑是地球化學動力學實驗。目前主要限於兩類地球化學動力學實驗:一類是高溫高壓水-岩反應動力學實驗,典型的實驗裝置和原理見圖4.12,側重於開放體系中流體與礦物或岩石顆粒之間的化學反應機制和反應速率研究;另一類實驗是在一個大的容器(稱tank)內通過激光攝像和各種探頭實時檢測容器內流體的運動和成分變化,可以模擬宏觀尺度的地球化學輸運-反應動力學過程,但較難控制溫、壓條件,大多在常壓下實驗。

無論是數值模擬還是實驗模擬,都需先確定模型所需的各種動力學參數如流體的密度、粘度系數、圍岩的孔隙度和滲透率、顆粒比表面積等,還要根據實驗研究對象確定邊界條件和初始條件。

數值模擬和實驗模擬各有其長,可以相互補充。計算機模擬的優勢是可以模擬較復雜的地球化學體系,且可以方便地修改模型,或改變動力學參數和邊界、初始條件,得到各種模擬結果,從而研究不同條件下地球化學體系的演化規律。但數值模擬的成果取決於所建立數學模型的合理性和計算機軟體系統的正確性,受研究者主觀判斷和水平的影響。實驗模擬能較為宏觀地模擬地球化學過程,結果更為可信,但受實驗設備和實驗條件等限制,實驗研究只限於比較簡單的地球化學過程和簡單的邊界條件,且較費時費力,目前研究比較成熟的主要限於水-岩反應動力學實驗。

④ 地球化學研究

地球化學方面的研究在收集相關資料的基礎上，拍攝大量野外地質現象及岩礦體照片，並採取大量岩礦體標本進行觀察分析，並將具有代表性的圍岩、礦體樣品進行測試分析，野外編號採集共10件樣品，室內分析後選擇其中六件最具代表性的送國土資源部烏魯木齊礦產資源監督檢測中心進行岩礦鑒定、硅酸鹽、稀土、微量元素等項目的測試分析。其中，樣品11SK-b001為礦體頂板東側圍岩樣，11SK-b002為東側礦體樣，11SK-b003礦體底板東側圍岩樣，11SK-b004礦體頂板西側圍岩樣，11SK-b005為西側礦體樣，11SK-b006為礦體底板西側圍岩樣。根據岩礦鑒定的結果，結合鏡下照片的特徵，此次測試樣品的基本特徵見圖版Ⅰ-11至圖版Ⅰ-14。

1.硅酸鹽測試分析

選送的六組樣品中有四組硅酸鹽的測試結果（表3-15），根據測試結果可知，該礦區岩礦體樣品SiO₂含量為51.9％～66.5％，在SiO₂/（Na₂O＋K₂O）圖解（圖3-39）中可知含礦岩體主要由玄武岩、玄武安山岩、玄武質粗面安山岩組成，為亞鹼性系列。Al₂O₃的含量較高，且變化大，分別接近於9.8％與15.7％兩個值；K₂O的含量為2.44％～5.06％，平均含量為3.75％。樣品全鹼含量（Na₂O＋K₂O）在2.62％～5.27％之間，平均含量為4.09％。（Na₂O＋K₂O）/Al₂O₃測試的結果為0.27～0.34。TiO₂的含量較低，變化范圍為0.32％～0.86％，平均為0.58％，MgO的含量為0.39％～1.51％，平均為0.98％，Fe₂O₃含量最高，變化范圍為7.92％～20.22％，平均為14.73％。

表3-15 圍岩及礦石微量元素化學全分析測試結果表 單位：％

根據SiO₂-K₂O圖解（圖3-39）中，樣品具有高鉀亞鹼性系列的特點。

圖3-39 式可布台鐵礦FAM、TAS圖解（FAM，底圖根據Peccerille and Taylor，1986；TAS，底圖據Le Bas et al，1986）

哈克圖解是研究岩漿岩地球化學的必備圖件，很多結論就是根據哈克圖解而得出來的。在對該礦區岩礦體硅酸鹽的測試結果進行SiO₂相關氧化物的哈克圖解（圖3-40）及與K₂O＋Na₂O相關的TAS圖解中可知，大部分主量元素（TiO₂、Al₂O₃、P₂O₅、Na₂O、K₂O）與SiO₂含量呈正相關關系，其餘（Fe₂O₃、MnO、CaO、FeO）與SiO₂含量呈負相關關系。

圖3-40 式可布台鐵礦岩體中主要氧化物的哈克圖解

2.圍岩和礦體稀土、微量元素分析

微量元素測試數據（表3-16）從整體來看元素Rb和Th比Ta含量較低，Nb、Ta、Hf、Th、K等含量較高，而P、Ti較低。具有較弱的P谷和較強的Ti谷，Ce和Nb變化大。Nb/Ta值為6.35～105，均值為49.19，Zr/Hf值為21.06～39.76，均值為29.26，Nb異常值均小於1。

在球粒隕石標准化蛛網圖解投影上（圖3-41），原始地幔的比值大體在1～10之間，且曲線較為平緩且稀疏交叉，曲線由強不相容元素部分向弱不相容元素部分演化，曲線呈輕微的右傾。在球粒隕石標准化分布圖上（圖3-42）隨著元素不相容性的降低逐漸趨於平緩。大部分樣品出現類似的分配模式，Rb、Ta、Ce、Hf、Sm和Yb等呈較明顯的富集，Ba、P、Ti為虧損狀態，而Ba的含量占微量元素的范圍為6％～94％，平均含量為34％，Ti的含量占微量元素的范圍為2％～78％，平均含量為50％。此外，Ba相對於Rh、Th虧損是後碰撞伸展岩漿活動的標志之一（Rottura et al.，1998）。Gd元素明顯富集。

表3-16 式可布台鐵礦含礦岩體稀土、微量元素地球化學分析數據 單位：10^-6

圖3-41 式可布台鐵礦岩石稀土元素球粒隕石標准化分布圖

圖3-42 式可布台鐵礦岩石微量元素球粒隕石標准化蛛網圖

稀土元素總量∑REE范圍為158.82～186.64（含Y），平均值為168.23；LREE范圍為17.12～171.1，平均值為70.75；HREE范圍為6.82～23.05，平均值為14.20；LREE/HREE比值為8.26～14.34，平均10.59。REE含量變化較小，輕重稀土分異不明顯。LREE相對富集，HREE虧損特徵。在球粒隕石標准化稀土元素分配圖（圖3-41）中，（La/Yb）_N值為8.81～20.92，平均13.68＞1，曲線為右傾斜；同時（La/Sm）_N值在1.1～7.1，平均4.09＞1。所用樣品都表現出Eu的負異常，δEu在0.73～0.89之間，平均0.79。所有樣品也表現出Ce的負異常，δCe＝0.92～0.97，均小於1；Ce_N/Yb_N值為1.73～11.12，均大於1。

3.地球化學分析結論

根據SiO₂-K₂O圖解（圖3-39）中，岩石樣品具有高鉀亞鹼性系列的特點。（Na₂O＋K₂O）/Al₂O₃結果為0.27～0.34，由洪大衛標准（Na₂O＋K₂O）/Al₂O₃＜0.9為鈣鹼性岩石，綜合分析可以說明式可布台礦區含礦岩體為富鉀鈣鹼性系列。

在火山岩SiO₂/（Na₂O＋K₂O）圖解（圖3-39）表明式可布台鐵礦含礦岩體為由玄武岩、玄武安山岩、玄武質粗面安山岩組成，為亞鹼性系列，顯示為中性-酸性組合特徵。K₂O平均含量為3.75％，高於島弧環境火山岩的含量（K₂O的平均1.60％），而與活動陸源K₂O含量接近。TiO₂平均含量為0.58％，明顯與洋島玄武岩（TiO₂平均含量＞2％）和洋脊玄武岩（TiO₂平均含量＞1.5％）不同，但與島弧火山岩 TiO₂（平均為0.8％）相接近。總體來看，式可布台含礦岩體具有高K、Al，低鹼性和低Ti的特點，具有活動陸源島弧的特點。

在哈克圖解中，大部分火山岩主量元素與SiO₂呈負相關關系（圖3-40），說明岩漿經歷了結晶分異過程。微量元素測試結果整體來看元素Rb和Th比Ta含量較低，Nb、Ta、Hf、Th、K等含量較高，而P、Ti較低，顯示岩漿在演化過程中經歷了含P、Ti等礦物的分異作用。Rb_N/Yb_N值表明式可布台鐵礦含礦岩體為富集地幔源，熔融程度低。Nb/Ta均值為49.19，Zr/Hf均值為29.26，根據元素對Nb/Ta和Zr/Hf的比值在原始地幔的相應值為17.8與37（Me Donough et al.，1995），地殼的相應值為11和33（Taylor et al.，1985）說明成礦岩漿可能為大陸殼物質或花崗質岩石的重熔。綜上可以認為式可布台鐵礦火山岩由大陸殼物質或花崗質岩石的重熔而來的島弧火山岩。

Rb、Ta、Ce、Hf、Sm和Yb等呈較明顯的富集，Ba、P、Ti為虧損狀態。從Ta到P持續降低，Hf略為富集，Ti的虧損等。此外，Ba相對於Rh、Th虧損是後碰撞伸展岩漿活動的標志之一，均與島弧火山岩有類似的地球化學特徵。

從火山岩稀土元素的配分形式整體表現為LREE富集，HREE虧損的分餾模式，（La/Sm）_N值在1.14～5.01，平均3.13＞1，說明輕稀土元素內部分餾程度弱；負弱Ce異常，及Ce_N/Yb_N值為1.73～11.12＞1，說明Ce使得LREE富集。富集Rb、Th等大離子親石元素，虧損Nb、P、Ti等高場強元素，具有島弧火山岩的特徵。δEu值愈小，岩漿分異程度愈高，δEu在0.29～2.25之間，平均0.84。其值較大，說明岩漿分異結晶程度不高，說明它們是經過少量分離結晶作用演化的岩漿形成的。

在Th-Ta-Hf/10（圖3-43）中，該區玄武質火山岩投於鹼性玄武岩區（CAB區），並有向島弧玄武岩（IAI）變化的趨勢，可以說明式可布台鐵礦的形成與陸源活動島弧環境。

圖3-43 式可布台鐵礦Th-Ta-Hf圖解

⑤ 地球化學的研究方法

地球化學的每種理論,應用於解決地學問題,均構成一種研究方法。地球化學的基本研究方法主要是對地球系統及其各級子系統進行觀察、取樣分析、歸納和演繹研究;其次是實驗模擬研究及數字模擬研究。現就地球化學一般研究方法簡述如下。

1.地球化學野外工作方法

這里涉及的主要是人們肉眼可以直接觀察的固體地球部分研究,至於大氣圈、海洋和地外天體等研究方法,以及隕石的收集和研究,有專門書籍論述,在此不再介紹。

地球化學野外工作的目的是:觀察了解宏觀地質體的物質類型、結構構造及它們在時間和空間上的相互關系,在此基礎上系統觀察和收集寓於各地質體中的地球化學記錄和信息,並採集具有明確代表對象和意義的樣品。當然,觀察收集信息及取樣的側重點應因研究目的不同而有所差別。

因為地球化學運動和作用寓於地質運動和作用之中,所以必須首先較好地了解研究區的地質背景,把握所研究地質作用的產物的特徵和礦物岩石組成、結構構造及它們之間的時空關系和序列。這些均屬於地質學的觀察研究內容,可按地質編錄或制圖法進行。這部分工作是地球化學研究的重要前提和必要基礎,是地球化學研究客觀性的根本保證。

在野外觀察建立了較好的地質研究的基礎上,必須重視各類地質體中地球化學記錄和信息的觀察和收集,力求在野外工作階段就能形成地球化學研究的構想或工作假設,從而保證室內研究能更有效地開展。常見一些年輕地球化學家研究中只有野外地質觀察而缺乏基本的野外地球化學信息收集,似乎認為地球化學研究對象僅限於化學元素和同位素微觀層次。地球及其層圈中的化學作用絕大多數都是通過化合物 (礦物)或物相之間的反應實現的,元素原子的相互作用只是這種反應的內在根據。化學、地學和地球化學今天的發展,已使地球化學從地質體的觀察中直接獲取地球化學信息成為可能。典型研究方法範例,見博伊爾 (R.W.Boyle)1979年出版的《金的地球化學及金礦床》。

如何進行野外地球化學觀察和信息收集? 通常地球化學可以廣泛應用礦物化學、岩石化學、化學及物理化學的知識和理論指導地質體的觀察。例如,根據地質體的岩石和礦物組成,不需化學分析就可知道它們的大致化學組成,基於礦物間受類質同象控制的元素分配規律,還可粗略推測它們中比較集中的微量元素種類和組合;石灰岩是強鹼弱酸的鹽類,其岩層可起著天然溶液酸鹼度調劑的作用,是影響元素遷移的鹼性障;觀察組成岩石的礦物共生組合及礦物的交代關系,可為應用相平衡理論研究地球化學作用奠定基礎。例如,在硫化物礦床氧化露頭中見到方鉛礦 (PbS)依次被鉛礬 (PbSO₄ )和白鉛礦(PbCO₃ )交代的現象,就可推斷硫化物礦石的氧化應依次經歷硫酸鹽和碳酸鹽階段,其環境應先是酸化、而後向鹼性過渡,從而提出進一步檢驗這種推斷的設想。此外,從物理化學觀點看來,天然溶液進入張性裂隙是外壓力的突然降低,岩石的糜棱岩化實質為物質顆粒變細增加表面能,從而增強化學反應速率,等等。通過地質地球化學野外觀察,收集到足夠的地球化學信息,再結合地質背景、條件與研究的目的,就可形成進一步研究的構想。

樣品採集必須注意的關鍵問題是,樣品應能確切地代表所要研究的地質對象,盡可能詳細地了解其產出的地質背景、環境和條件;符合所要研究的目的。例如,為了解原始岩石成分需採集新鮮的岩石樣品,為研究蝕變過程應按剖面採集原岩、半蝕變岩石到全蝕變岩石的系列樣品。樣品的規格和重量按需進行測試方法的要求確定;每種樣品採集的數量應以具有統計學上的一定代表性為准。

2.地球化學室內研究方法

地球化學室內研究包括樣品的加工、分選、預處理、岩石礦物鑒定和分析測試、數據處理,以及綜合分析得出結論的全過程。

在野外觀察和鑒別的基礎上,為了准確鑒定礦物、岩石、礦石的成分和類別,確定礦物-流體相間反應關系,常需進行偏光和反光顯微鏡觀察,對微粒和微區研究可以應用電子顯微鏡、X射線分析法、電子探針等儀器進行精確分析和鑒定。這方面需要特別強調的是,准確地鑒定礦物和岩石只是目的之一,而詳細觀察和了解岩石和礦石中礦物間的相平衡和反應-交代關系,以及礦物晶粒中的環帶結構和成分變化等,具有更深入層次的意義。現代高精度的實驗觀測技術為實時實地准確地觀測微細地球化學作用過程提供了條件。

為了獲取各類地質對象的化學成分,除主量元素可應用常規化學或儀器分析方法測定外,其餘大多數測定項目為微量組分,含量一般為克拉克值級次。對於這些微量元素的測定需要使用靈敏精確的分析技術,靈敏度一般要求達到 10^-6～10^-9。在這方面,現在常用的分析方法有:發射光譜分析、原子吸收光譜分析、火焰光譜分析、離子選擇電極法、中子活化分析、等離子體光量計分析、質譜分析,以及一些專項分析技術,如測汞、測金、放射性測量等。可以根據研究目的,選用適用的方法,在滿足靈敏度和精度要求的前提下,應考慮便捷、經濟的原則,避免過度追求高精度、過多測試項目等。

進行同位素定年和同位素組成測定的樣品,需根據樣品性質、估計的可能年代范圍,以及各種定年法和同位素測定分析法的特點和要求,選擇質譜分析的類型及進行樣品的制備和測定。

元素結合形式和賦存狀態是制約元素地球化學行為及活動性的重要因素。其中主量元素形成各自的礦物或獨立相,它們的結合形式根據礦物學的鑒定和研究確定。對不形成獨立礦物的元素的賦存形式以及細粒岩石 (頁岩、黏土沉積物、土壤等)中元素的賦存形式,則需應用專門的綜合測試方法解決,包括:晶體光學法、物性和物相分析法、X射線分析法、電子探針等微區分析法,以及化學偏提取法、電滲析法、放射性乳膠照相法等。

地球化學作用的物理化學條件的確定包括測定和計算兩類方法。如礦物流體包裹體測溫和測壓屬於測定法;礦物溫度計、微量元素溫度計、同位素溫度計等為測定和計算相結合的方法;而體系的pH、E_h、

、鹽度、離子強度、礦化度等參數則是通過熱力學和化學平衡計算獲得。

在取得了上述各種實際資料和數據後,研究就進入了數據處理和資料整理,進而綜合提煉並得出科學結論的階段。數據處理和資料加工包括,按照研究的目的,應用地球化學多元統計分析的方法 (相關分析、判別分析、因子分析、聚類分析等)揭示研究對象數據和參數的分布形式、變異特徵、相關程度、元素共生組合及其影響因素等;根據解決問題的設想,編制各種圖件和表格等。此後,研究就進入了由客觀向主觀認識轉化上升的思維過程,在這方面,辯證唯物主義認識論和前述的地球化學方法論具有關鍵性的指導意義。

3.地球化學實驗模擬和數字模擬

開展實驗研究,尤其高溫高壓條件下的實驗研究,是地球化學探索必不可少的一種手段。實驗研究的內容主要包括:地球化學所需自然化合物 (礦物)和化學物種熱力學性質和參數的確定,元素在各種共存相間分配系數及同位素分餾系數的測定,極高溫度和壓力下礦物相變及超臨界水流體溶液物理化學性質的研究,以及各類地球化學作用實驗模擬的研究。這些實驗使地球化學應用物理化學原理和進行定量計算成為可能,為地球化學對深部地幔物質成分的判斷提供參考,使地球化學對各種自然和人為作用過程和機制的了解更加精確和深化。

在開展地球化學作用的實驗模擬時,應注意使實驗體系和條件盡可能地接近自然界的實際,這樣才能獲得有效和可信的結果。

各種地球化學體系的數字模型化研究 (如,岩漿作用過程中微量元素分配的定量模型),以及地殼、地幔、海洋等復雜體系的數字或計算機模擬,近年展現出不斷增多的趨勢被稱為計算地球化學。計算地球化學既是地球化學向定量化發展的必然結果,同時也是對許多難以進行實驗模擬的復雜自然體系定量研究的一種補充。

地球化學體系和作用過程的定量化數字模擬或建模,現在已廣泛應用於解決地球化學問題,其中包括地球化學體系的質量收支平衡、反應的化學平衡、系統動力學、物質輸運過程,以及上地幔、洋盆和岩漿房的化學演化等。地球化學數字模擬和建模的專著,如Francis Albarède 撰寫的 Introction to Geochemical Modeling (1995),Bethke 所著的Geochemical Reaction Modeling (1996 )和 Geochemical and Biogeochemical Reaction Modeling (2008)。我們必須高度重視這一發展趨勢。

⑥ 環境地球化學的研究手段

環境地球化學運用各類專門器具，採集地表、水下和空中的無機和有機樣本。為確定環境樣本中化學元素的含量和組合，各種成分分析儀器和質譜計、能譜儀是它的必備手段。經常採用的研究方法有下面幾種。 即緊緊抓住所瞄準的元素，研究它在環境中運動的各個環節或在各種介質中的地球化學行為。
環境檔案研究法
樹木年輪、冰岩心、湖泊沉積、海灣沉積、深海沉積、珊瑚、黃土、古土壤、河流泥沙、沉積岩、花粉、包裹體等都不同程度地記錄下了它們形成時的環境條件，如溫度、濕度、化學成分、生物量、火山噴發、地磁場、海平面和太陽活動等，因此它們可看成是環境變化的「檔案」材料。不同的檔案材料有不同的環境信息量和時間解析度。有目的地研究這些檔案材料，可提取出過去環境變化的寶貴信息。

⑦ 地球化學的基本工作方法

除了少數現代的地質作用過程外,歷史上的和現代深部進行的地質過程都不可能直接觀察和研究。因此,地球化學與其他地球科學學科一樣,必須主要採用「類比」和「反序」的研究方法,即根據作用產物提供的地球化學信息來研究並恢復已經歷過的作用的歷史和條件。因此,在開展地球化學工作時要善於觀察和發現寓於各種地質現象中的地球化學信息。

地球的化學作用寓於地質作用之中,因此地球化學研究不能脫離基礎地質工作,它的一般工作程序仍然是在研究任務的指導下採用先野外,後室內的工作順序,並注意從對地質體的觀察來提取化學作用信息,建立地球化學研究構思。地球化學工作對樣品處理、測試方法和測試精度等常有自己特殊的要求,因而更需要建立某些專門的方法和測試流程。地球化學研究過程包括:通過對自然對象的觀察和測試獲取第一性資料;在地球時-空結構中整理和研究事實規律;反序地追蹤歷史。地球化學研究必須有確定的目標,樣品必須有明確的代表性,並收集盡可能詳實的基礎資料,研究所獲得的結果要能與宏觀地質事實互相對照和驗證。

0.4.2.1 地球化學野外工作方法

(1)現場觀察宏觀地質現象的時空結構,查明研究區內各種地質體的岩石-礦物組成及相互作用關系,並由此提供有關地球化學作用的空間展布、時間順序和相互關系。

(2)依據野外觀察得出的初步地質-地球化學認識,確定進一步研究的設想和采樣方案。在樣品的布局中應注意以下幾個問題:①樣品應有明確的代表性,要能代表一定產狀的地質體,力求其化學組成未受後期作用的改造;②採集的樣品應保證研究對象在空間上、時間上和不同成因產狀方面的系統性;③當需要總結統計性規律時,要依據數理統計學方法來確定樣品數,若樣品的數量較少,則對采樣代表性的要求就更高,分析測定的精度也應相應提高。

0.4.2.2 室內研究方法

地球化學的室內研究方法,需根據任務要求和工作條件選擇確定。常用的研究方法有:

(1)靈敏精確的分析測試方法:地球化學經常處理的元素含量為克拉克值的級次,微量元素含量測定的靈敏度一般要求達到10^-4%~10^-7%。現代分析儀器已可以達到地球化學研究所需要的精度和靈敏度,如用化學光譜法測金,靈敏度已可達0.1×10^-9,中子活化法的測金靈敏度可達0.04×10^-9。常用的分析方法有:發射光譜、原子吸收光譜、火焰光譜、離子選擇電極、極譜、X光熒光光譜、紅外光譜、拉曼光譜、中子活化、發光分析、等離子體光量計法、同位素質譜分析法、等離子光-質譜分析等。還有一些專項分析技術,如測汞、測金、放射性測量等。

(2)元素結合形式和賦存狀態的研究:對不易形成獨立礦物的元素,應研究其賦存狀態。常用的研究方法包括:化學分析、晶體光學法、物性和物相分析法、X射線分析法、差熱分析法以及各種微區分析測定如電子探針等。專用於研究賦存形式的方法有:偏提取法、電滲析法、放射性乳膠照相法等。

(3)作用過程物理化學條件的測定:熱力學參數中除溫度、壓力外,應包括體系的pH、Eh、fo₂、鹽度、離子強度、礦質濃度等參數,主要通過直接測定法和計演算法獲得待測參數數據。如包裹體測溫和測壓技術、微量元素溫度計、礦物溫度計、同位素溫度計等研究法等都是測定和計算相結合的方法;對難以直接測定的熱力學參數,主要通過計演算法獲得。

(4)自然作用的時間參數由同位素地質年代學方法獲得,同位素測年可以求出地質事件的時間順序和作用持續的時間。

(5)實驗模擬自然過程:模擬研究屬於正序研究,包括應用各種溫、壓設備和緩沖劑技術,在不同溫壓條件下進行相平衡實驗和測定各種熱力學參數,並可應用於研究元素遷移沉澱的條件和過程。實驗研究使地球化學有可能考查地下深處或天體中正發生或地質歷史中曾發生過的各類作用過程。由於絕大多數地球化學過程無法直接觀察,模擬地球化學作用過程的方法受到廣泛重視。模擬地幔、地殼和地表各種環境下化學過程的專門實驗方法正在不斷開發和完善。

(6)多元統計計算和建立數學模型:多元統計理論和計算機技術在地球化學研究中的應用,提高了資料整理的科學性、數據的利用率和計算工作效率;同時數學理論和方法的應用對深入揭示地球化學規律、科學地描述地球化學現象起到了推動作用。目前已對許多地球化學過程建立了數學模型,自然現象的參數化以及對地球化學開放體系中多變數、多組分反應的數學模擬等方面也已展示出美好的前景。

以上介紹的主要是地球化學研究的常規方法和手段,實際上地球化學的研究方法和實驗手段日新月異。一方面,研究者不僅要學會掌握並善於應用各種常規手段和現代的研究方法,能依據研究任務的需要選擇適用的研究方法,並重視方法技術的改進和完善;另一方面,一些專門研究手段對專門領域的研究意義重大,如行星探測器技術的發展對行星化學的研究進展有關鍵性的作用,這些專門技術的開發是學科進一步發展的技術保證。

地球化學有廣闊的研究領域,可以說任何一個人窮其一生的努力也不可能成為地球化學所有領域的專家。但只要你對地球化學學科有濃厚的興趣,經過認真地學習和實踐,掌握了地球化學的基礎知識、基礎理論和基本方法,就完全有可能在地球化學的某一領域,如固體地球(或岩石圈)、礦產資源、能源、大氣圈、表生環境、海洋、熱動力學、同位素或微量元素等方面有所建樹。學習和掌握地球化學的基礎理論、方法和技術,將是向成功地球化學家邁出的第一步。

復習思考

(1)地球化學學科的特點和基本問題。

(2)地球化學學科的研究思路和研究方法。

(3)地球化學與化學、地球科學其他學科在研究目標和研究方法方面的異同。

⑧ 地球化學的基本觀點和方法論

從現代地球化學主要研究地球及其子系統的化學組成、化學作用和化學演化看來,下面的基本觀點及其方法論的意義最為重要。

1)地球化學系統觀點,這里特別強調系統的組成和狀態制約其化學過程和元素行為的特徵。例如,在表生和內生地球化學系統中鐵和錳均顯示出不同的化學行為;不同地區由於地殼和地幔組成和溫壓等狀態的差異,成岩和成礦的特徵明顯不同;地球由於溫度適中和存在液態水,得以發展出繁茂的生物圈,從而導致地球具有含自由氧的大氣圈及長英質成分的地殼,這些均為地球完全不同於太陽系其他行星的特殊性。地球化學與化學的區別在於自然地球系統在組成和狀態上較之實驗室和工廠中人為的化學系統具有無比的復雜性。這一觀點的方法論意義在於研究任何地球化學問題,都須置於它所處的系統中來考察,以系統的組成與狀態來約束所研究過程的性質和特徵。如地殼是一種地球化學系統,它在某一時期的元素豐度既構成系統的一種狀態參數制約著地殼中化學作用和元素行為,又是地殼發展的階段狀態,通過不同時期地殼組成的對比就可揭示地殼的化學演化。因此,不應僅僅將地殼元素豐度視為度量局部地區和地質體元素富集或貧化程度的標尺。

2)寓於地球系統物質運動中的化學運動同力學運動、物理學運動和生物學運動相互依存、相互制約和相互轉化的觀點,這里強調不同形式運動的相互作用和相互制約的方法論意義。地球系統物質運動中化學形式的運動不是孤立的,而是與其他形式運動緊密聯系和相互制約的,因此地球化學研究雖然重點探討化學運動,但應重視地質學和地球物理學的實際資料和認識成果對地球化學立論的約束。同時由於我們是通過寓於地球和地質運動中的化學運動的研究來探索和解決地學問題,所以就可歸納為如下方法論:善於將地學和地質問題剖析為地球化學性質的問題來研究,以發揮地球化學學科的優勢。例如,對於如何證明板塊構造學說所設想的洋殼俯沖的地質學問題,就可將這個問題剖析為證明會聚板塊俯沖帶中同構造期的島弧玄武岩的地幔源區中是否有洋殼物質捲入的地球化學問題,這樣研究可發揮地球化學示蹤的專長。

3)地球層圈相互作用與物質和元素循環的觀點。地球形成初期分異出層圈之後,化學組成、溫度和壓力迥異的各層圈之間,必然會發生強烈的相互作用,表現為層圈間的物質交換、能量輸運及動量傳遞,推動著地球的運動和發展。因此,地球化學應以地球層圈相互作用為主線,以揭示物質和元素的循環為手段,進行地學和地質問題的研究。這一方法論對於現代地球化學從事地球系統重大問題研究更為重要。

4)歷史地球化學觀點,強調地球系統的總體演化及寓於其中的化學演化具有循環性和不可逆性,即螺旋式上升規律。循環性 (或旋迴性)表現為相似的地質作用或事件,在地球歷史中可以多次重復發生,如各地質時代均有沉積作用發生;不可逆性表現為同一種自然作用隨時間推移其性質和特徵是單向發展的。例如,沉積鐵礦能出現於不同地史階段:前寒武紀以形成海相條帶狀鐵硅建造為特徵,元古宙晚期以沉積濱海相的鮞狀赤鐵礦床 (鮞狀赤鐵礦、鮞綠泥石、菱鐵礦)為特徵,而後顯生宙則主要形成湖相-沼澤相沉積鐵礦床 (水針鐵礦、鱗綠泥石)。這種演化規律主要是受大氣圈從無自由氧到出現自由氧再到自由氧含量水平提高,致使地表環境由還原→弱氧化→較強氧化的轉變的規律所控制。因為,這可以改變鐵的價態,從而影響鐵在表生作用中遷移活動性的變化。根據地球演化的螺旋式上升這一普遍規律,在地球化學研究中,應始終堅持以發展論和階段論思想為指導。按照這一方法論,在特定歷史階段中可以進行一定程度的將今論古,但總體上必須堅持發展論,不應超越階段進行類比。當然,還需考慮突變的發生。

5)各類地質體的化學物相、元素和同位素組成、物相反應關系及相應參數為地球化學事件記錄的觀點,這里強調善於從地質體觀察中獲取地球化學信息的能力。因為除了地表正在進行的地質-地球化學作用可以直接觀察研究外,絕大多數作用或發生於地球深部,或已完成結束於地球歷史時期,無法對這些作用過程進行自始至終的正序研究,只能根據作用過程遺留在各類地質體中的產物和遺跡反序地追索地球的化學作用和化學演化。