ch1第2節(jié)-樣本空間、隨機事件

1、1,,,,地 球 化 學,主授：周永章 沈文杰 zhouyz@mail.sysu.edu.cn 13922782589 QQ：909648523 http://earth.zsu.edu.cn,Essentials of Geochemistry,周永章,中山大學學士中國科學院地球化學研究所碩士Quebec大學博士中國科學院廣州地球化學研究所研究員專長：礦床地球化學環(huán)境地球化學

2、數(shù)學地質學QQ：909648523 zhouyz@mail.sysu.edu.cn13922782589,沈文杰,中國科學院廣州地球化學研究所博士中國科學院地質與地球物理研究所博士后專長： 重大地質事件環(huán)境地球化學記錄 微區(qū)痕量高精度地球化學分析,4,教學的目的和要求,重點介紹地球化學的基本概念、基本理論、研究方法通過本課程的學習，使學生掌握地球化學基本研究思路和方法，了解當今地球化學的研究現(xiàn)狀，以及主要的地球化學

3、問題，為今后進一步學習和從事地球化學方面的研究打下良好的基礎。70分√,5,6,7,什么是地球化學？,8,地球化學＝地球的化學,地球的化學組成地球的化學作用地球的化學演化,9,地球科學的 三大支柱,地質學＋地球物理學＋地球化學地球化學的研究范圍也從地球擴展到月球和太陽系的其他天體,10,地球化學＝地質學 ＋ 化學,11,合格的地球化學家,提出好的地球化學問題解決地球化學問題發(fā)展新的地球化學技術應用地球化學理論和方法解決

4、現(xiàn)實問題,12,地球化學家的傳統(tǒng),歐美傳統(tǒng) ：化學俄羅斯傳統(tǒng) ：地質,13,地球化學與地質學的關系,地質學是一級學科地球化學是一級半的學科：兼具地質分支學科和基礎理論學科的雙重特點它與礦物學、巖石學、礦床學都是研究地球物質的科學，它們在一些研究方法和理論基礎方面是相同的，但地球化學的基本原理更具普遍、深刻的意義，在推動地質科學定量化、預測化的進程中起帶頭學科的作用,地球化學與研究地球物

5、質成分的礦物、巖石、礦床學和化學的關系,地球化學vs化學地球化學是在自然界，又具有空間上條件的不均勻性，時間上單向演化和階段性，體系的多組分，多變度及總體的開放性；化學主要是在實驗室中，它是人為控制的體系，可任意調節(jié)T、P、pH、Eh、C和純化雜質。,16,地球化學思維特征,“見微而知著”：在地質作用過程中形成宏觀地質體的同時，還形成大量肉眼難以辨別的常量元素、微量元素及同位素成分的組合的微觀蹤跡，它們包含著重要的定性和定量的地

6、質作用信息，只要應用現(xiàn)代分析測試手段觀察這些微觀蹤跡以及宏觀的地球化學現(xiàn)象,便可深入地揭示地質作用的奧秘。 通過觀察原子之微，可以認識地球和地質作用之著。,17,地質作用特點,規(guī)模宏大時間持久多次疊加作用因素復雜保留不完整難直接觀察,18,地球化學的中心課題,通過觀察原子的行為，認識地球,19,解決的基本問題,元素、同位素組成，元素共生關系、賦存形式，元素遷移，地球元素形成與演化,研究的基本問題舉例： 元素的分布、分配：

7、元素和同位素的含量及含量在空間、時間及不同地質產狀地質體中的變化。是地球化學研究的出發(fā)點和基礎資料。,元素的賦存形式：自然界元素賦存形式受地質作用物理化學狀態(tài)的控制，隨著地質變動的歷史而變化。為此它們是物理化學狀態(tài)及變動歷史的指示劑。 CuFeS2 CuSO4 黃銅礦(獨立礦物) (溶于水離子狀

8、態(tài)) (原生還原) (次生氧化),,元素（同位素）的行為：元素（同位素)在自然界所發(fā)生的各種地質作用中的行為。通過行為的研究可能揭示地質體成因機制,野外地質現(xiàn)象： ①銅、硫礦體產在花崗閃長斑巖的裂隙帶中； ②礦體上方有一個硅化（礦化）碎裂頂蓋； ③在地表3線剖面進行巖石地球化學測量（原生暈）：在花崗閃長斑巖中卻出現(xiàn)了高值區(qū) ④在礦體上方出現(xiàn)了 Cu元素的低含量區(qū)。 為什么？原因何在？,地球化

9、學實例：,元素的遷移：元素的含量和賦存形式在時間、空間上的變化。,①某些金屬元素呈分散狀態(tài)賦存于礦物顆粒表面（礦源層）；②沿裂隙發(fā)生了熱液活動，礦源層裂隙兩側物理化學狀態(tài)發(fā)生了改變，礦源層中的元素被萃取至流體中遷移；③熱液遷移過程中受阻，流體中元素又以新的結合方式沉淀下來。,上述例子說明元素的地球化學遷移包含了以下三個要素：① 環(huán)境物理化學條件的變化；② 元素結合方式的改變；導致元素在空間上的位移及元素集中、分散的轉化。

10、 因此，元素的遷移過程能指示元素發(fā)生變化的動態(tài)過程，以及各種物理化學條件對其的制約關系，從而揭示地質、地球化學作用機制。,案例： 白堊紀末期（6500萬年前）巨大的陸生恐龍和大量的海洋浮游生物在短期內突然滅絕！是什么原因呢？ 觀察：E/K界面上1cm厚粘土中測出Ir元素突然增加了20 倍。 當時保存下來化石的氧同位素成分測定其海水溫度突然上升，最高可達10oC。 事件的宏觀地質體很難尋找到了，

11、但事件的微觀蹤跡（微量元素、同位素）卻記錄下來了。,27,,地球化學家做了什么？,28,From atom to plate tectonics,恒星演化和化學元素的起源,元素的起源和合成與恒星演化有關：元素的核合成宇宙爆炸理論,原始水圈的形成,氣成水學說：甲烷的光化學作用巖漿成水學說：最初地球上的水，主要以巖石中的結晶水存在于地內部，在地殼變化過程中，排入大氣，隨地球的冷卻而凝結，形成降水，原始大氣層較薄，容納的水汽有限，隨

12、地球演化，水圈的水量逐漸增加隨地表環(huán)境的改變（蓄積太陽能、大氣和水相互作用、風化作用），水圈成分逐漸改變。 原始海水是酸性的 原始大洋的沉積物為含鋁粘土礦物所組成的沉淀物 原始大洋發(fā)展的化學過程—— 原生火成巖礦物+酸性揮發(fā)物+水→沉積巖+大洋+大氣,31,大氣組分的匯各種氧化作用消耗的氧碳酸鹽沉積消耗的二氧化碳空氣中氮化物形成以及硝化作用消耗的氮地球重力場逸失的H2和He,大氣中重

13、要氣體的源和匯,32,,33,石油的形成：腐殖酸形成的降解過程,陸地生態(tài)系統(tǒng)與碳循環(huán)（IPCC，1980～1989年）碳源：人類使用化石燃料的人為排放及砍伐森林的自然排放的CO2約7Gt/a；其中： 人為排放：5.5±0.5Gt 熱帶土地利用變化(主要是森林采伐)釋放1.6±1.0 Gt/a 碳匯：CO2在大氣中的累積約為3Gt/a 海洋生態(tài)系統(tǒng)將碳“泵入”海洋深部的“泵吸”作用的碳凈吸

14、收為2Gt/a碳［18］碳匯損失：2Gt/a；主要集中在北半球中緯度陸地生態(tài)系統(tǒng),環(huán)境地球化學過程與全球變化,,全球變化的概念國際地圈生物圈計劃（ＩＧＢＰ）：調節(jié)地球系統(tǒng)的物理_化學_生物相互作用過程，其中包括國際全球大氣化學(IGAC) 全球環(huán)境變化的人類因素計劃（IＨＤＰ）：環(huán)境變化的人類因素 生物多樣性計劃（ＤＩＶＥＲＳＩＴＡＳ）：養(yǎng)育人類社會的生物多樣性,36,人與環(huán)境的化學聯(lián)系,38,瀝青化氣孔狀熔巖,含自然銅、氧化銅

15、的凝灰角礫巖（強瀝青化、濁沸石化。,瀝青化、沸石化、綠泥石化碎裂蝕變巖,碳泥質巖石透閃石-陽起石化,39,峨眉山地幔柱巖漿溢流通道（黃色區(qū)）與相關資源分布,40,Plate subduction, Fluid release and Arc magmatism,Fluid,俯沖帶成礦分帶,42,全球溢流玄武巖分布：地幔柱,43,Zircon growth and U-Pb Dating,Fluid availability during

16、 HP-UHP metamorphismMajor periods of fluid activity: 245 to 240 Ma ? 230 to 220 MaSubduction of LT/HP to MT/UHP eclogitesFluid release from paragonite decompositionExhumation of MT/UHP to MT/HP eclogitesFluid rel

17、ease from lawsonite decompositionand hydroxyl exsolution,44,,苦橄質火山角礫巖,氣孔狀玄武質熔巖,炭質巖,含礦圍巖REE配分特征,,凝灰?guī)r,,,,46,地球化學基本思路,把地質作用看成一化學（熱力學）體系。地質環(huán)境用物理化學條件來描述。研究體系的化學機制和演化。實現(xiàn)在原子層次上，認識地質作用的機制，追蹤地質歷史。所有化學的分支學科（無機化學、有機化學、物理化學、化學熱力學

18、、膠體化學、化學動力學等）都是它的理論基礎。依據(jù)：化學元素及其化合物（礦物）的基本物理化學性質和行為在自然和實驗條件下沒有本質的差別。,47,,地球化學一門應用性很強的學科：礦床環(huán)境農業(yè)地震預報,48,發(fā)展歷史,美國：F. W. Clarke, 1884-1925; Carnegie Institution, 地球物理實驗室下劈地球化學方向，1905,1838年瑞士化學家Schonbein（申拜因）首次提出了“地球化學”這個名

19、詞。 1982年他預言“一定要有了地球化學”，才能有真正的地質科學。,發(fā)展歷史,50,發(fā)展歷史,Norway: Goldschmit, 1910s-1930s, 接觸變質作用，晶體化學第一定律/元素地球化學分類,51,發(fā)展歷史,蘇聯(lián)：В.И.Вернадсий(Vernadskii); A. E.Фepcmaн(Fersman), 1920s-1930s, 元素遷移，放射性同位素地球化學，地球化學過程能量分析原理，區(qū)域地球化學、地球化學

20、找礦方法,52,發(fā)展歷史,中國：1950s, 1970s成熟的三個標志：獨立研究機構:中國科學院地球化學研究所刊物：《地球化學》大學開設有關課程大學辦系：中國科技大學，南京大學，北京大學,53,中國科學院地球化學研究所研究室設置,同位素地球化學是根據(jù)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

21、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。,54,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(guī)律,55,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(guī)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

22、尋找和評價提供了重要手段。,56,元素地球化學是從巖石等天然樣品中化學元素含量與組合出發(fā)，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(fā)揮了重要作用，微量元素地球化學研究提供了成巖、成礦作用的地球化學指示劑，并為成巖、成礦作用的定量模型奠定了基礎,57,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

23、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(fā)利用服務。,58,環(huán)境地球化學是研究人類生存環(huán)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(huán)境狀態(tài)的影響及相應對策。環(huán)境地球化學揭示了某些疾病的地區(qū)性分布特征及其與環(huán)境要素間的關系。,59,第四紀地球化學稀土元素地球化學極地地球化學礦物化學、礦物物理深部地球化學構造地球化學,60,中國科學院礦床地球化學重點實驗室,博士生

24、(35),碩士生(34),博士后(11),高訪(1),,,,,,,,,,61,,化學分析實驗室,62,結合國家對礦產資源的重大需求，主要研究自然界的化學元素在各種地質作用下活化、遷移和富集形成礦床的地球化學過程，揭示在不同的時代、地區(qū)和動力條件下化學元素富集形成礦床的規(guī)律，創(chuàng)建礦床地球化學的新理論和新方法，為探尋礦產資源遠景基地提供新的思路和科學依據(jù)。,學科方向,近期主要研究方向,64,電子探針實驗室 （EP

25、MA-1600型）,5道波譜、1道能譜、焦點反饋自動聚焦樣品臺,微區(qū)化學組成定性和定量分析 微區(qū)化學組成線分析 微區(qū)化學組成面分析 微區(qū)形貌圖像、成分分布圖像,65,稀有氣體同位素質譜實驗室 （Micromass 5400 型）,He、Ne、Ar、Kr、Xe同位素組成測定 鹵素元素和CO2成分分析 Ar-Ar定年,全熔、階段加熱、真空壓碎,66,激光Raman光譜實驗室 (Renishaw

26、inVia Reflex 型),單各包裹體氣相成分 礦物鑒定與結構分析,高溫高壓下硅酸鹽熔體結構與礦物物理,67,流體包裹體實驗室,流體（熔體）包裹體物性測定 流體包裹體成分分析,68,地球化學研究成就,地球年齡前寒武系地層同位素、微量元素示蹤（地幔虧損）地幔性質隕石碰幢-恐龍滅絕假說（Ir異常）古氣候記錄儀器ICP-MSSHRIMP,69,,70,,71,,72,,73,,74,地球化學泰斗：涂光熾院士,八十誕辰慶

27、祝會做學生的體會地球化學家：歐陽自遠、傅家謨、安芷生,75,中國地球化學泰斗，導爺，涂光熾院士,76,地球化學家，登月計劃首席科學家歐陽自院院士,77,周永章：承擔項目,廣東省地質過程與礦產資源探查重點實驗室建設欽州灣-杭州灣結合帶礦產資源遠景調查（中國地質調查局重大專項）珠江三角洲經(jīng)濟區(qū)生態(tài)地球化學環(huán)境預警預測（國土資源部生態(tài)地球化學調查專項）熱水沉積硅質巖地球化學與成礦（國家自然科學基金）金的地球化學地球化學環(huán)

28、境與人類健康勘查地球化學,,,揚 子 地 塊,華 夏 地 塊,80,作業(yè)：,什么是地球化學？地球化學的思維特點百度搜索“中國科學院廣州地球化學研究所”，然后進入http://www.gig.ac.cn 百度搜索“中國科學院地球化學研究所” ，然后進入http://www.gyig.ac.cn,81,作業(yè)：,百度搜索“國家自然科學基金委員會”，然后進入http://www.nsfc.gov.cn/ 并查找“地球化學”領域“資助指

29、南”和“優(yōu)先資助領域”百度搜索“中國科學院地質與地球物理研究所” ，然后進入該所網(wǎng)站,82,作業(yè)：,分別進入北京大學、南京大學、中國科技大學、中國地質調查局網(wǎng)站，搜索它們的“地球化學”學科發(fā)展情況Google “環(huán)境地球化學”，然后總結環(huán)境地球化學的發(fā)展現(xiàn)狀,83,作業(yè)：,Goole“涂光熾”、“歐陽自遠”、 “謝先德”、“傅家謨”、 “安芷生”，然后總結對他們的印象Google “geochemistry”Google ”Ho