海洋沉积地球化学
海洋沉积地球化学是研究海洋沉积物的化学组成、化学作用和化学演化的学科。
海洋沉积地球化学的主要研究内容是:元素的物质来源、含量、组合、分布及其存在形式;元素的迁移运动方式、沉积的物理化学环境,以及控制发生沉积的各种化学机理;各类沉积物的化学特征和元素的分散与富集规律;沉积物与海水之间的物质交换与平衡;成岩、成矿过程中元素的行为和再分配,以及元素的演化史;研究与海洋沉积地球化学有关的各种分析方法、测试技术和模拟实验等。
海洋沉积地球化学的研究既是海洋沉积学的重要内容,也是海洋地球化学的组成部分,它是海洋沉积学和海洋地球化学之间的一门边缘学科。
海洋沉积地球化学的研究对寻找和评价海洋沉积矿产有指导作用;海洋中有害元素沉积地球化学的研究可对海洋环境保护提供科学依据;由于现代海洋是古海洋“天然的模拟实验室”,故现代海洋沉积地球化学的研究可以“将今论古”;有机沉积地球化学的研究,又可以探索石油成因甚至生命起源问题。
1891年,英国海洋学家默里和勒纳尔对1872~1876年英国“挑战者”号考察时所采集的沉积物及锰结核进行了若干化学成分的分析与研究,这标志着海洋沉积地球化学研究的开始。至二十世纪50年代,又有十多次重要的深海考察,也陆续发表了沉积物化学成分的资料,使海洋沉积地球化学的研究不断进展。
二十世纪50年代以来,随着对开发海洋矿产资源的重视和科学技术的提高,海洋沉积地球化学获得了长足的发展,采用了一系列新的测试技术,测定了更多的元素,其中包括大量的微量元素和同位素;从主要研究沉积物的化学成分,发展为研究化学作用和化学演化;在开展深海大洋研究的同时,也广泛开展了陆架浅海沉积地球化学的研究;对具有经济价值的大洋锰结核的进行了大力研究。
海洋沉积地球化学的研究领域比较广阔,主要包括对元素的地球化学研究、对矿产的地球化学研究、有机地球化学的研究、同位素的地球化学研究、海洋沉积环境的地球化学研究、海洋成岩作用的地球化学研究、模拟试验研究等。
元素的地球化学研究包括海洋沉积物中元素的丰度、来源、搬运形式、沉积机理和沉积后的变化等。元素的丰度特征是地球化学最基本的特征之一,不同沉积环境所生成的沉积物具有不同的丰度。
研究表明,海洋中的化学元素,主要来自大陆、海底火山、海底热泉、宇宙、大气等;元素的搬运形式有碎屑态、胶体态、真溶液态和吸附态;元素的沉积机理有重力沉积、化学沉积和生物沉积等;元素沉积后仍可发生迁移,一直到趋于新的地球化学平衡。
当前结合矿产资源、环境保护和生物资源的调查研究,对元素地球化学的详细研究多集中在对成矿元素、有害元素和营养元素上。显然,提高元素分析的灵敏度和准确度,进而分析沉积物各种组分中元素的含量,是海洋沉积元素地球化学研究朝纵深发展的方向。
寻找和评价海底沉积矿产是海洋沉积地球化学研究的主要目的之一。现代海底矿产有锰结核、磷结核、多金属硫化物、海底砂矿等,其中特别是深海锰结核地球化学的研究,因其具有潜在的巨大经济意义而日益广泛和深入。
此外,对以磷为主的磷酸盐结核和富含锌、钛、锆、稀土等元素的海底砂矿,也不断进行研究。另外,与海底热泉有关的深海多金属硫化物矿床,近年来尤其引人注目。这种矿床富含 锌、铜、钴、铅、铁、锰、镉、银、金等多种金属,常分布于海底扩张带或火山区附近,其上覆盖着一层高温高盐的热卤水,关于热水的来源以及多金属硫化物的成因等,都是海洋沉积矿产地球化学研究的新课题。
有机成分和无机成分共同组成沉积物的物质成分。在沉积物和沉积岩中已发现五百多种有机化合物。除研究有机成分的含量和分布规律外,有机地球化学还的研究沉积物中有机质向烃的转化,探讨石油的成因 ;研究有机质在元素迁移、富集中的作用;关于有机化合物的应用研究。海洋沉积有机地球化学的研究比无机成分的研究较缓,加强对有机碳的成因、演化模式的研究,并将其与生命起源的重大理论问题结合起来具有重要意义。
沉积物中的放射性同位素遵循一定的衰变规律,因而可作为天然的地质时钟测定沉积物的年龄,并进而计算沉积速率。近年来沉积物中稳定同位素的研究已蒸蒸日上,碳、氧、硫的同位素除用于判别海陆相沉积和物质来源外,更重要的是还可用 来测定沉积时的古温度。各种同位素方法的研究,多数尚属于探索阶段,而且有些方法有一定的局限性,因此不断深入开展同位素地球化学的研究,有着广阔的前景。
沉积的物理化学环境对元素的迁移、存在形式、演化等方面有着制约的关系。在现代海洋的条件下,介质的酸碱度和氧化还原条件明显控制元素的分布,因此通常可用于指示沉积环境的酸碱度和氧化还原状况 ;另外,大陆与海洋沉积环境的差异,必然导致某些化学成分的差异,故常研究一些微量元素、同位素和有机化合物用于指示海陆变迁;此外,温度是影响氨基酸外消旋化作用的一个参数,所以可通过氨基酸测古温度。随着稳定同位素研究的进展,利用氧、氢同位素测定古温度已成为沉积环境地球化学研究的前沿课题。
化学元素在沉积之后不是一成不变的,在松散沉积物的深埋-压实-成岩过程中,伴随着压力、温度、pH、Eh、孔隙度的变化以及间隙水的 排出和形成,会引起某些元素的重新迁移和再分配,甚至有些元素可以高度集中而形成矿产。另外成岩中还广泛地发生粘土矿物的转化和非晶质氧化硅的转化,同时伴随发生许多元素的转化,这方面的研究工作日益增多。
实地观察、室内测定和模拟实验是沉积地球化学研究的三大手段,有些沉积地球化学的现象需要模拟实验加以证实,通常进行的模拟实验很多,如不同酸碱度、氧化还原条件下某些元素的稳定形态及其地球化学行为;各种粘土矿物及胶体对元素的吸附性能;海水对海底火山物质的浸取机制;成岩早期压实作用下沉积物的物理化学变化;海底非晶质 硫化铁的晶出过程等。
在有机地球化学方面,模拟实验的应用尤为广泛,如海洋泥质沉积物中有机质热解转化生烃的实验;有机质对金属富集成矿的实验;以及有机质影响海水中碳酸盐沉积的模拟实验等。但是,这些实验多半还是初步的,今后需广泛引进有关学科的先进理论和技术,采用数学原理,促使沉积地球化学进入一个对自然过程进行广泛的数字模拟的新阶段。
其它海洋学分支学科
海洋学、海洋化学、海洋地球化学、海洋沉积地球化学、海洋物理化学、海水分析化学、海洋资源化学、河口化学、海洋生物学、海洋生态学、海洋生物化学、海洋生物地理学、海洋物理学、海洋电磁学、海洋光学、海洋声学、海洋气象学、物理海洋学、古海洋学、大洋地层学、海洋环境科学、军事海洋学、区域海洋学、海洋工程学