第四紀地球化學

第四紀地球化學

第四紀地球化學介於第四紀地質學和地球化學之間的邊緣研究領域。研究第四紀時期化學元素及其同位素在地殼中的分布與演化規律。側重研究元素及其同位素在不同成因類型的第四紀沉積物中的分布、分配、遷移和富集的特徵。第四紀地球化學是在20世紀50年代初期才開始發展起來的。

簡史

構造

第四紀地球化學是在20世紀50年代初期才開始發展起來的，前蘇聯的Б．Б．波雷諾夫在研究風化殼的地球化學中，擬定了著名的元素遷移序列，初步揭示了各種陸相第四紀沉積物的地球化學特徵。

20世紀60年代以後，C.埃米利亞尼和N.J.沙克爾頓等所作的深海岩心中有孔蟲介殼的氧同位素比值(18O/16O)及其變化曲線，提供了至今所知最完整的全球性氣候變化記錄。

70年代，前蘇聯的В．К．盧卡舍夫發表《第四紀岩石成因地球化學》，闡明了第四紀各種不同成因類型沉積物的地球化學特徵。

研究內容

地質

主要有以下幾個方面：

①研究第四紀各種成因類型沉積物中化學元素及同位素的分布和分配的規律，闡明決定元素及同位素不同分布的原因和元素間的相互關係；

②查明第四紀各種成因類型沉積物中化學元素的差異，以闡明各種沉積物的成因；

③研究化學元素在不同地區(空間上)和不同發展階段（時間上），不同地質作用條件下，運移、演化及集中、分散規律；

④研究第四紀各種成因類型沉積物中常量元素和微量元素的地球化學標誌和特徵比值；

⑤研究形成第四紀沉積物的地球化學介質條件（pH、Eh、有機膠體溶液和可溶鹽等）及其對沉積環境的影響。

劃分及構造

第四紀

第四紀地層的劃分主要依據沉積物的岩石性質及地質年齡。

第四紀沉積物分布極廣，除岩石裸露的陡峻山坡外，全球幾乎到處被第四紀沉積物覆蓋。

第四紀沉積物形成較晚，大多未膠結，保存比較完整。第四紀沉積主要有冰川沉積、河流沉積、湖相沉積、風成沉積、洞穴沉積和海相沉積等。其次為冰水沉積、殘積、坡積、洪積、生物沉積和火山沉積等

第四紀的構造運動屬於新構造運動。在大洋底沿中央洋脊向兩側擴張。對太平洋板塊移動速度測量表明，平均每年向西漂移最大達到11厘米，向東漂移 6.6厘米。

陸地上新的造山帶是第四紀新構造運動最劇烈的地區，如阿爾卑斯山、喜馬拉雅山等。地震和火山是新構造運動的表現形式。

地震集中發生在板塊邊界和活動斷裂帶上，如環太平洋地震帶、加利福尼亞斷裂帶、中國郯廬斷裂帶等。火山主要分布在板塊邊界或板塊內部的活動斷裂帶上。中國的五大連池、大同盆地、雷州半島、海南、騰衝、台灣等地都有第四紀火山。

主要進展

第四紀地球化學

①黃土地球化學。黃土的平均化學成分十分接近大陸上部地殼的克拉克值，黃土的稀土元素模式與大陸地殼的類似。黃土中各類元素在區域上的變化都不大,中國黃土富含碳酸鈣(CaCO3)，黃河中游各地馬蘭黃土及其粘粒組分的物質成分較均勻。此外，黃河中游各地馬蘭黃土中鋅（Zn）、銅(Cu)、錳(Mn)、鈷(Co)、鎳(Ni)和鉬(Mo)的含量自西北至東南逐漸增加，呈現明顯的帶狀分布。黃土剖面中某些受氣候制約的元素的含量或其比值的變化，具有明顯的階段性和周期性，這些周期段與M.M.米蘭科維奇根據天文因素計算的周期和深海岩心中δ18O值的周期性一致。同時，黃土剖面中的鈹-10(10Be)濃度的變化與δ18O之間也存在著極好的相關性。因此，從元素地球化學的角度證明，第四紀氣候變遷是受天文因素控制的。

②海洋沉積地球化學。根據深海岩心 18O/16O比值在垂向上的變化，奇數階段為18O相對較少的溫暖單元，偶數階段是18O相對較多的寒冷單元。因而由深海沉積物氧同位素曲線可以認為,90萬年以來至少有9個完整的冰川旋迴。同時,深海岩心中CaCO3的沉積旋迴與氧同位素曲線有良好的對應關係。 陸棚(如印度西部)的鋁(Al)、錳(Mn)、鎳(Ni)、銅(Cu)等元素濃度較高,與內陸棚的CaCO3含量低和細粒陸緣沉積物有聯繫,而在粗粒物質組成的CaCO3含量高的外陸棚地區，這些元素的濃度低。另外，泥質沉積物組成的陸棚和碳酸鹽沉積物組成的陸棚胺基酸組分之間有明顯區別，並且胺基酸總量隨埋藏深度增加而遞減。樣品年齡越老，外消鏇反應作用越強。中國大陸架沉積物中，若干元素表現出極好的相關性、親碎屑性和親陸性等，而且絕大多數元素的含量隨粒度變細而升高。

③湖泊、河流沉積地球化學。湖相沉積物中微量元素的空間分布受沉積物類型和有機碳的強烈影響。在湖相沉積剖面中（如北美），碎屑二氧化矽、自生鐵和錳向上減少；相反硅藻中自生二氧化矽、碳酸鹽和胺基酸總量以及氯化物向上增加，這些都反映了晚冰期和冰後期的氣候變化。此外,微量元素的富集係數大於1的層段多與溫濕階段相對應;而小於1的層段多與乾涼階段相對應。乾旱半乾旱地區的湖相沉積以鹽類沉積物為主（如柴達木盆地察爾汗湖），根據碎屑沉積和鹽類沉積物中的水溶鹽、碳酸鹽含量、石膏形態和粘土含量等綜合分析，擬制了大約5萬年以來的氣候曲線。河流沉積物中微量元素的含量一般較低，主要呈分散狀態存在，沖積層的化學成分繼承了區域的前第四紀岩石的成分。不同時代的沖積層中，微量元素的濃度和比率能夠作為地球化學標誌再造古地理和進行地層對比。各河流的上、中、下游，稀土元素模式彼此類似，河流懸浮物中稀土元素平均含量比河流沉積物中的要高，但在稀土元素組成上沒有發現明顯差異，都以富含輕稀土為特徵。

④風化殼的地球化學。根據殘積風化物所經歷的 4個時期，可分出下列各種風化殼：殘積的風化殼，其中又分鋁殘積風化殼、矽鋁殘積風化殼和鈣積風化殼；堆積的風化殼，其中又分矽鋁堆積風化殼、碳酸鹽堆積風化殼和氯化物- 硫酸鹽堆積風化殼。中國的主要風化殼，根據其地球化學特徵可歸納為矽鋁- 鐵質和鋁質風化殼、矽鋁- 粘土質風化殼、矽鋁-碳酸鹽風化殼、氯化物-硫酸鹽風化殼、碎屑狀風化殼5類（見風化作用）。高山地區風化殼，在高山氣候垂直分帶性的影響下，具有類型多和垂直分帶性的特點。沿海熱帶、亞熱帶地區，氣候溫熱有利於紅壤型風化殼的發育，但不同基岩的紅壤性風化殼的發育過程、地球化學特徵也不相同。

⑤地球化學標誌與第四紀沉積相和沉積環境。除常用某些元素對的比值和烴類化合物的成分作為海、陸和過渡相的劃分標誌外，微量元素和同位素成分也越來越多地被用作指相標誌。其中較為成熟的是硼(B)、鎵(Ga)、銣(Rb)、氟(F)、鍶(Sr)、鉻(Cr)、銅 (Cu)、鎳(Ni)和釩(V)等，這些元素及其有關比值（如B/Ga、Sr/Ba、Rb/K）對區分海相與淡水陸相沉積物具有很大的意義。一般認為硼、鎵、銣、釩是反映古鹽度的靈敏指示劑。除直接用pH、Eh值外，還利用變價元素和某些有機化合物作為沉積環境氧化、還原性的地球化學標誌。此外，在河口-海洋混合帶,易還原相與半還原相的比值也可反映氧化、還原環境。利用沉積物中氧、碳同位素含量的變化，可以查明沉積介質的性質、溫度和生態環境。

展望

第四紀地球化學

第四紀地球化學研究中，重要的是進一步探討元素的特徵比值和地球化學標誌（包括生物標誌化合物）所反映的氣候環境，建立元素氣候學。

配合礦物學和古生物學方面的標誌，為擬制第四紀時期的綜合氣候曲線提供有力的依據，進而闡明第四紀時期的古氣候和古地理環境，並為探討全球氣候環境變遷提供重要的背景材料。此外，將進一步探索和研究地層界線上元素銥異常和第四世紀時期災變事件。

在深海沉積物氧的同位素地層學研究基礎上，將加強陸相沉積物中氧、碳同位素和10Be等的分析研究，深入討論元素分布在地層劃分上的意義，使元素地層學的研究得到進一步充實和完善。