海洋沉积物岩中元素地球化学方法的释读.docx

海洋沉积物岩中元素地球化学方法的释读 与沉积矿物学、同步地球化学和微体古生物学一样，元素地球化学在古代环境、古气候变化和物源学的研究中发挥着极其重要的作用。元素类型、丰度及赋存状态在沉积物搬运、沉积和成岩过程中是不断变化的,这种变化是元素在地表各部分不同物理化学条件下不断迁移集散的表现,是元素本身性质与外部条件,包括源区母岩风化的原始矿物组分和性质、搬运形式、沉积条件和成岩作用期间元素重新分配等各种因素的综合反映。无论是常量元素,还是微量元素(包括稀土元素(REE)在内),作为地球化学指示剂,它们在海洋沉积环境和物源研究中,表现出日益明确的示踪作用。 1 元素地球化学记录在海洋沉积环境和物源研究中的释读方法 1.1 研究元素的组成、相对含量和分布 Sc,Ti,Zr,Nb,Hf,Ta,Th,Y和REE等高场强元素以及大离子亲石元素Rb,Ga,Cs等,在岩石的风化过程中很不活泼,往往被固体物质结合或吸附,随颗粒物一起搬运和沉积,它们在海水中的含量极小,存留时间短,在自生物质中的富集程度很低。所以在海底沉积物中,这些元素几乎全部来自碎屑物质,反映碎屑源区的地球化学特征,如Ti含量代表沉积物中陆源碎屑所占的比例。 在海洋沉积地球化学研究中,常把SiO2作为陆源沉积的一种标志,CaCO3常被作为生物沉积的标志。微量元素Zr和Sr的地球化学行为与SiO2和CaCO3相似,即可以把Zr作为陆源沉积的标志,Sr是亲生物元素,为非陆源沉积的标志。Ba认为是保存在硅质沉积物中,半深海沉积物中Ba的含量与上覆水体的生物通量存在一定比例关系,而且沉积后保存状况好,因而可利用其恢复古生产力。 河流是供给海洋物质的主要渠道,大量陆源物质源源不断地由河流输入海洋,故对海洋环境造成较大的影响。黄河、长江和珠江等河口地区沉积地球化学研究表明,河口沉积物中的B,Ti,Zr,V,Co,Cr,Ga等元素含量及B/Ga,Sr/Ca,Ca/(Ca+Fe)等比值和CaCO3含量可为判断物质来源、沉积环境及其气候变化的佐证。不同元素的在海区的平面分布,反映了陆表风化过程、物源和海区生物生产力的基本情况。 1.2 研究元素间的比值 元素比值不仅可以表明元素的比例关系,而且依据比值的变化还可以表明元素的相对富集或分散以及变化幅度的大小。中国浅海砂、粉砂、泥中Si/Al值分别是10.5,5.3,3.4,因此Si/Al值可作为衡量沉积物粒度配分的指标。有时把Al作为海洋中陆源成分的指标,通过不同元素与Al比值的变化,探讨元素的物质来源和自生变化等。Ishiga等学者研究了日本西南海岸泻湖沉积物中Ti/Zr,Zr/Y和Nb/Y的比值后认为,这些比值的激增和锐减反映了千年尺度人类活动对地表的侵蚀和改造。 古海洋学研究表明,有孔虫壳体Cd/Ca和Corg/Babio值被认为是海水生产力的标志,底栖Ba/Ca值对于追踪深层水变化具有显著意义。此外,Sr/Ca,Mg/Ca,V/Ca和U/Ca值均对揭示古海洋环境有重要作用。贝壳中Sr/Ca和 Ba/Ca的比值与生物栖息地海水的相应值呈相当好的正相关关系,同时它们还受温度的不同程度的影响,各种分析实验结果表明贝壳化学沉积作用后的变化不会对原始Sr和Ba的含量产生影响,这两种元素比值可作为研究地球化学历史和古环境的可靠工具。一般情况下,自生组分元素通过以下方式进行估算:E自生=E测量值-Ti测量值×(E/Ti)地壳平均值或E自生=E测量值-Al测量值×(E/Al)铝硅酸岩。式中,E代表自生组分元素。 1.3 研究过渡元素和稀土元素在氧化还原条件下的变化 V,Cr,Mn,Fe,Co,Ni,Cu,Zn,Mo,Cd和U等过渡金属元素,在底层海水、沉积物、孔隙水之间的循环很大程度上受控于这些环境内的氧化还原条件的变化,是探讨底层水氧化还原状态变化的有效示踪剂。在强还原条件下,这些元素(Mn除外)会从孔隙水中沉积出来而在沉积物中富集,Co,Ni,Cu,Zn,Cd等亲硫元素在较高的还原环境下,均以硫化物形式沉淀并富集于沉积物中;而Co,Ni在低氧化环境下往往易被Mn,Fe氧化物捕获而随Mn,Fe一起富集;像Cr,V和U等变价元素,在还原状态下,以低价态形式存在时,容易被固体表面吸附而富集于沉积物中,并可在程度稍低的还原状态下出现。在富氧海水中,Mn很快会以MnO2形式沉积下来,并在氧气能够穿透到的沉积物表层大量富集;而在沉积物内氧气穿透面以下,MnO2成为最重要的二级氧化剂,代替氧气继续氧化分解有机质。在此过程中,MnO2不断被还原为易溶的Mn2+,而在沉积物中含量逐渐降低。Mn对环境物理化学状况的改变比较敏感,其生物地球化学作用也很活跃,许多因素都可影响到Mn的沉积富集,所以Mn的含量变化具有特定的环境意义,作为地层和气候剧变的标志。一般情况下,底层水的