猴子
黄怀曾（中国地质科学院生物环境地球化学研究中心，北京 100037）颜秉刚（中国地质科学院地质研究所，北京 100037）饶克勤（卫生部统计信息中心，北京 100044）摘要 在地质因素制约下，表生母质中元素及元素组合的区域分布，呈现出按构造背景分区的特点；在现今自然环境影响下，表生元素迁徙后重新组合，又具有按地理要素分区的特色；元素的离散与集聚还受其自身的地球化学行为束缚。正是这些综合因素决定了我国以水系沉积物为主体的地球化学分区呈北东－南西向展布。从我国西北到东南共分四个区。不同地球化学区内元素及元素组合的集散现象，则突出显示了上述不同因素在不同区内各自所起的主导作用的差异。大量数据因子分析结果表明，元素及元素组合的区域分布特点，同样是上述不同地球化学区内元素集聚与离散规律的反映。关键词 地质 构造 地理环境 地球化学 元素众所周知，自然界中各种元素的总体分布特点是与岩石和岩石组合类型及其所处的地质背景密切地联系在一起的。元素的物源是岩石，而岩石和岩石组合类型的分布又受构造背景和地质作用制约。从原始地幔分异出来的地壳在地质历史的长河中不断被改造，形成浅部以硅铝质为主，深部以硅镁质为主，上地幔则以铁镁质为主的层次分明的组合构架。与此同时，由于地球动力学和长期的构造活动，构架中各分层物质的组合也会发生这样那样程度不同的变化，它不但可使表层物质重新组合，而且还可将深部物质带到地表，改造地壳表层组分。现今地壳原生物质横向分区、纵向分层的分布状态正是地质作用长期活动的结果。此外，构造格局还决定了表层物质的迁移、聚集状态。其中隆起带主要为剥蚀迁移，而坳陷盆地则为聚集堆积区。地貌分异和气候变迁也是决定物质迁移速率和迁移量的重要因素。我国大陆陆壳由于受中一新生代构造运动的强烈改造，地形地貌和地质构造都异常复杂。西部多崇山峻岭，东部则主要为低山丘陵和辽阔平原。大体上由西向东，由北向南呈阶梯状下降的地貌景观，在构造上，东西两部也表现为迥然不同的构造景观。西部，在喜马拉雅构造域内，随着特提斯海槽自北向南后撤直至封闭，我国西南部由北而南逐渐抬升。至晚喜马拉雅旋回，雅鲁藏布江以南构造作用以强烈挤压、褶皱和隆起为主，形成高耸的褶皱山系。青海南部高原则为引张作用下的断块山系，天山南北形成规模巨大的山前坳陷。与西部的情况相反，我国东部喜马拉雅构造期则以大陆边缘褶皱带为特点，其上发育了张裂盆地。中生代时期，中国东部地势以低山丘陵为主体，大兴安岭—太行山—武陵山一线以东，以隆起为主的构造背景上，发育小型的山间盆地；此线以西的四川和鄂尔多斯则以坳陷为主，形成鄂尔多斯、四川一滇中大型坳陷带。到白垩世晚期，东部断裂下陷，形成一系列断陷盆地。新生代时期，特别是晚第三纪以来，中国东部地形由高变低，有的地方甚至降到与海平面接近。由于大陆边缘沉降，造成了当今的滨海平原地貌景观。1 地球化学分区与元素分布特征1 地球化学分区复杂的地质背景和地理环境以及南北气候的变迁都是制约物源化学元素的分离、迁移和堆积聚集的重要因素。岩石地球化学与水系沉积物的区域地球化学特征虽不完全等同，但都存在着密不可分的联系。岩石物质组分受成因机制约束，即取决于它形成时的古环境和古地球动力学。水系沉积物则是地质大循环作用下岩石半风化或风化作用的产物，它受物源、气候、地貌、水文条件等因素制约。地壳中各种岩石、矿物在表生作用下风化分解，有的元素呈离子状态或呈络合物形式，有的元素呈胶体或颗粒悬浮物分离出来，经迁移转化重新离散或富集。－些易溶元素，如钠、钙、镁、硼、锶等，迁移能力较强，大部分被水溶液带走，因此，这些元素在水系沉积物中平均含量大大低于地壳的平均值。与此相反，难以流失的元素在水系沉积物中相对富集，平均含量往往超过地壳的平均值。显然，以水系沉积物中元素组分所表征的区域地球化学特征是包括古地球动力学、古环境和现今环境在内的综合因素的产物，不同地区不同因素以及各因素影响程度的差别组成了以水系沉积物为主体的多元环境地球化学景观。图1 中国水系沉积物地球化学分区图根据近20余年来国土资源部（前地质矿产部）在全国范围内开展的以水系沉积物为主体的1:20万区域地球化学调查资料，综合地质背景与现代环境可以清楚地看出，我国水系沉积物的地球化学分区大致呈北东－南西向展布，且从西北到东南大致可分为以下四个区（见图1）：Ⅰ西北内陆地球化学区（内陆区）Ⅱ大兴安岭－藏北高原地球化学区（高原区）Ⅲ东北三江（黑龙江、松花江和乌苏里江）－西南三江（金沙江、澜沧江和怒江）地球化学区（三江区）Ⅳ东南沿海地球化学区（沿海区）2 环境因素影响的地球化学分区特点众所周知，构成地壳岩石主成分的硅酸盐，乃是对环境十分敏感的矿物。环境化学因素的千变万化，最终主要反映在硅酸盐矿物的变化上。从我国西北边陲到东南沿海，由于pH值总体上依次降低，硅酸盐矿物也相应地呈现出规律性的变化，从西北的以物理风化作用为主，逐步转变到东南以化学和生物风化作用为主。硅酸盐矿物长石等，则经水云母、蒙脱石、高岭石到完全分解成铁、铝氢氧化物，正反映了水系沉积物内部元素组分迁移、转化的宏观规律性。而四个地球化学分区也正反映了这种鲜明的分带特色。但必须指出，即使在同一地区，随着海拔高度的变化，纵向上也会出现这种分带现象。1 西北内陆地球化学区本区以新疆维吾尔自治区为主。属干旱地区，光照充足，雨量稀少，蒸发强烈。除阿尔泰山、天山降水量较多外，年降水量一般小于200mm，基本没有地表径流。全区植被稀少，但植物残体分解较彻底，除在低洼湿润环境可形成沼泽和泥炭外，腐殖质堆积很少。通常在pH值大于5的干旱氧化环境下，以物理风化作用为主，岩石中硅酸盐矿物长石、云母等仅在多雨季节通过水合作用开始转为水云母、水绿泥石。与此同时，氯、硫、碘大量析出，积聚在风化壳、土壤和洼地中，但钙、镁、钠、钾流失不多。与其他三个区相比，水系沉积物中这类元素含量与母岩最为接近。2 大兴安岭－藏北高原地球化学区以内蒙古高原、黄土高原和青藏高原为主体。为半干旱地区，地表水系发育一般，多为江河源区，蒸发量大于降水量。pH值通常在5～5的范围内，铝硅酸盐和硅酸盐矿物在H2O和CO2作用下发生分解，生成粘土矿物水云母、拜来石、蒙脱石，氯化物、硫酸盐大部分溶解，Cl-和 淋失，游离出碱金属和碱土金属，钠部分带出，钙、镁、钾部分保留在残积层中，并使一部分SiO2转入溶液，常形成钙、镁碳酸盐堆积，以至水系沉积物中钙、镁、钠、锶等含量下降。3 东北三江－西南三江地球化学区主要为平原、丘陵地区。雨量充沛，地表水系发育，年降水量在400～800mm间，属半湿润带。是pH值为5～5的弱酸性环境。矿物中硅酸盐、铝硅酸盐盐基几乎全部被溶解，SiO2进一步游离出来，碱金属和碱土金属强烈淋出流失，SiO2、Al2O3、Fe2O3沉淀下来，生成不含钾、钠、钙盐基的粘土矿物高岭石、埃洛石或构成氢氧化物。钙、镁、钠、锶、钾含量继续下降。4 东南沿海地球化学区本区地处亚热带－热带气候区内，地貌上主要为低山丘陵，仅在临海区内有近海平原。由于受太平洋和印度洋亚热带季风气候的影响，雨量充沛，年降水量一般在800mm以上。地表水系发育，大多经本区入海。由于高温多雨，pH值通常小于5，在还原环境下的潮湿带内，化学与生物风化彻底，淋溶作用强烈。钙、镁、钠、钾均被游离出来带走，铝硅酸盐彻底分解，Al2O3、Fe2O3与SiO2分离，SiO2大量淋失，Al2O3、Fe2O3和部分SiO2呈胶体状，在酸性介质中聚集，生成水铝英石、褐铁矿及蛋白石。钙、镁、钠、锶降到最低水平。3 地球化学分区的地质背景与元素分布特点1 西北内陆地球化学区天山以北的准噶尔－北山—阿尔泰山区，为准噶尔－阿尔泰海西褶皱系。以出露古生代地层为主，显示出活动大陆边缘的沉积特点，杂砂岩和硅质岩较为常见，成分成熟度和结构成熟度较低。以北山地区硅质岩为例，化学组分介于正常化学沉积与火山沉积的硅质岩之间，反映了硅质来源不仅与表生地质作用有关，且与地壳深部的地质作用也有密切关系。常量与微量元素分析结果也证实了这一点。表1说明，除表生作用下的钡、锶丰度较高外，来自地壳深部的亲铁元素铁、锰、钛、钒、铬、镍、铜也偏高，而钠、钾、镁、铅偏低。表1 北山地区早古生代硅质岩微量元素平均值注：氧化物为百分含量，单元素为mg/kg。区内花岗岩约占25%，主要为海西早期的石英闪长岩、斜长花岗岩、花岗闪长岩、二长花岗岩，以活动大陆边缘型花岗岩为主，其次为海西晚期裂谷型的碱性岩浆活动，另有少量基性岩和超基性岩。这几种岩类均有幔源物质渗入，元论是岩石成因分析还是局部岩类的直接分析结果，都反映了相对富集铁族元素钒、铬、钴、镍、铁、锰、钛，铜、钙、镁含量也较高，钾、钠相对偏低。在古生代地层中，普遍夹火山岩和火山碎屑岩，以安山岩和玄武岩为主，与相应的深成岩属同源的产物，具有类似的元素组合特征。2 大兴安岭－藏北高原地球化学区北迄大兴安岭－天山，南止喜马拉雅山，包括内蒙古高原、黄土高原和青藏高原。从高原区内整个地质构造背景分析，除塔里木为地台，冈底斯山和昆仑山具清楚的岩浆弧特征外，可能以不同时期陆壳内部的裂陷活动为主，构成了规模不一时代各异的一系列褶皱系。裂陷拉张虽也能将幔源物质带到地壳，但总体上，它对地壳改造的程度远不如活动大陆边缘来得强烈。这在岩浆活动上表现得尤为明显。秦巴地区深熔花岗岩出露面积仅占19%，壳源重熔型花岗岩占81%。前者富集铁族元素和重稀土元素，后者富集大离子亲石元素和轻稀土元素。青藏高原区在冈底斯带和昆仑带上有以辉长岩、石英闪长岩、花岗闪长岩、二长岩、黑云母花岗岩、拉斑玄武岩、安山岩组合为代表的深熔岩浆岩，青海南部有新生代霓霞岩、霞石白榴岩、霞石正长岩、黝方石响岩、碱性粗面岩、碱性玄武岩系列的幔源碱性岩浆活动，但青藏高原大范围内仍以地壳内重熔型花岗岩为主，电气石白云母花岗岩、白云母花岗岩、二云母花岗岩、黑云母花岗岩组合为其典型代表，它们在物质组分上的差异如表2所示。就出露面积占80%左右的沉积岩和变质岩而言，在大兴安岭－天山、昆仑山、冈底斯山等优地槽内发育火山质和长石质硬砂岩，在唐古拉、北喜马拉雅冒地槽内堆积了岩屑质硬砂岩，在地台或地槽沉积物上常覆盖着中、新生代大型陆相盆地沉积，如塔里木盆地、柴达木盆地、二连盆地。新生的堆积物由于沉积分异作用而使物质重新组合，地壳表层物质组分发生重大变化，与原先的槽型沉积相比，铁族元素含量降低，碱金属、碱土金属和卤族元素含量增加，虽在那些没有覆盖物的褶皱带地层裸露点上，依然保留了活动构造带物质组分的特点，但从整个地区地壳表层组分平均水平来看，钒、铬、钴、铜、铁、钛、锰、镍和钠、钾、钙、镁、硼含量分别出现下降和上升趋势。3 东北三江－西南三江地球化学区从东北三江区到西南三江区斜穿我国中部的宽阔带，地质构造上以华北地台和扬子地台为主体。地台区出露有古老的结晶基底，为最早期地幔未完全分异的产物。古老变质岩系中常含基性和超基性岩透镜体，并有辉长岩岩墙贯入。平均物质组分偏向基性，镁、钙及幔源组分明显偏高，大离子亲石元素钾、钠、硼、锂等含量相对偏低。表3记录了华北地台新太古界斜长角闪岩和片麻岩元素含量。在广泛出露的地台型海相沉积盖层中，稳定的石英砂岩和碳酸盐岩虽颇为发育，但在沉陷地区可形成不同的沉积组合。从震旦系到下古生界不同层位上，淀积有来自基底剥蚀残留下来的磷、铁、钒、钴、镍、钼、铜等元素，局部地区富集，形成具有一定品位的工业矿床；在上古生界风化壳上还发育有铝土矿和锰矿。岩浆岩出露面积所占比例甚小，不超过10%，其中二叠纪大陆拉斑玄武岩和新生代碱性玄武岩具有鲜明的慢源特色，与整个区域古老结晶的基底元素分布的总体特点是一致的。表2 不同成因类型花岗岩类元素含量*注：氧化物为百分含量，单元素为μg/g。深源同熔型以冈底斯地区为代表，碱性－偏碱性以羌塘地区为代表，壳源重熔型以喜马拉雅地区为代表。“＊”为全铁。表3 冀东迁安新太古界变质岩元素含量注：氧化物为百分含量，单元素为μg/g。“＊？为全铁。4 东南沿海地球化学区沿海区以华南褶皱系为主体。原岩组分基本特点为亲铁元素低于相邻的三江区，钼和钨族元素显著增高。华南褶皱系实际上是在多处较弱拉张基础上汇集而成的一个裂陷槽，尽管岩浆岩出露面积较大，约占30%，但深源岩浆活动十分微弱。最新的裂谷型第四纪幔源碱性玄武岩仅在琼、粤、闽、浙、台等省有限区域内见及，不足以影响沿海区地壳表层的平均成分。以钾长花岗岩、黑云母花岗岩、闪长花岗岩、花岗闪长岩组合为主的壳源重熔型花岗岩，只是地壳内部物质的重新组合而已，并不改变地壳的总体成分，不过，它可使钨、锡、铋、钼、铅、锌、汞、砷等元素集聚，甚至形成大型和超大型矿床。古生代裂陷槽内，很少见到快速堆积的粗碎屑物质，主要为来自源区历经分选的细碎屑复理石沉积。较为充分的沉积分异作用，在原生物质迁移过程中，带来一定数量的活动元素和过渡元素，弱活动和不活动元素更多地滞留在剥蚀区内，可能也是造成区内弱活动和不活动元素含量偏低的原因之一。2 元素富集特点现着重阐述与农作物生长和生命科学密切相关的24种元素区域分布特点。先将每一1:20万国际分幅中数百到2000个左右的单元素全量数据，经多次叠代剔除异常值后，分别算出单元素平均值，意味着这些数值仅代表宏观的区域背景，而不反映局部异常；然后，再在每一1:20万国际分幅分值的基础上，算出全国平均值。表4清楚地反映了各种元素的地壳丰度值和全国水系沉积物中的平均含量。表4 全国水系沉积物与地壳平均含量对比表（mg/kg）注：背景值为全国平均值。通过进一步分析，各元素的区域分布特点还是十分鲜明的，若将分布特点相近的元素归为一类，则可分成以下8类。1 钠、钙、镁、钾、锶碱金属和碱土金属元素的高值区分布面颇广。除K外，其余4元素［Na（＞04%）、Ca（＞0%）、Mg（＞70%）、Sr（＞75mg/kg）］高值区大面积汇集在我国北方和西北的干旱、半干旱地区，其含量变化由西北往东南逐渐降低。锶和钠的高值区范围还延伸到我国东北地区。总体上我国南半部多为钙、钠、锶的低值区，其含量分别低于其背景值。镁高值区虽也出现在北方地区，但与钙、钠、锶的展布状况略有不同，它在太行山、燕山、辽东半岛等地仅为中等偏高含量区（93%～70%），南方的湘、鄂西部处于同样的水平。我国总体上处于低K水平，高值区（＞14%）和低值区（＜92%）呈星点状分布。相对而言，浙江、江西、福建、吉林、辽南和内蒙古东北部高值区面积较大，西北、西南、中南含量一般偏低，但海南岛南部和广西西南部等地有小片高值至偏高值区出现。2 铬、铁、锰、镍、钴、钒、钛铁族元素分布的高值区和中值区（高于全国平均值）呈北东向带状展布，从云贵高原直达吉林长白山区，其中尤以我国西南、中南及华北的部分地区较为集中。新疆北部也有铁、钒、锰、钴偏高值区出现。从总体上看，我国存在两条上述7个元素的低值带（低于全国平均值），其含量均分别低于其背景值。一条由青藏高原和新疆南部延至内蒙古东部，一条展布于华南及东南沿海，构成两条大致平行，但规模差别较大的低值带。但钛例外，在东南沿海及华南区无明显低值分布。3 铜、锌、铅、汞这些元素总体上表现为由东南往西北方向逐渐递减的趋势，即高值和中值区大体呈南西－北东方向展布。高值区和中值区主要集中于秦岭—大别山以南，藏东三江流域以东的我国西南、东南和中部地区。此外，铜在新疆北部和太行山区，锌在长白山、小兴安岭和大兴安岭地区出现规模不等的中等值区。铜、锌含量分别低于其平均背景值的低值区分别出现在内蒙古至藏北、浙江至广西沿海地带和内蒙古至藏北、山东半岛、广东至广西沿海一带。我国东南、中南和西南地区多属汞（＞72ug/kg）、铅（＞5mg/kg）高值至中值区，且呈大片集中分布；北方地区汞和铅含量总体上分别在平均背景值43mg/kg和73mg/kg以下。4 砷、镉砷高值（＞76mg/kg）和中值（31～76mg/kg）区主要出现在西藏、云南、广西、湖南和广东等省区。尤其是西藏境内，砷含量几乎都高于其平均背景值（31mg/kg）。在内蒙古和新疆，虽在小范围内有砷含量偏高现象，但在其他地区砷含量则普遍低于平均背景值。镉高值（＞32mg/kg）区分布范围与As较相似，但比较集中，高值区主要分布在滇、黔、桂地区，但在鄂北、陕南和浙西等地出现规模不一的零星的中值区至偏高值区。青藏高原、新疆、内蒙古、东北、华北及东南沿海一带均属低于背景值的低镉区。5 氟、硼、锂这些元素在我国水系沉积物中分布颇广，除东北、华北北部、西北地区、山东半岛东南沿海及海南岛等地为低值区外，其他绝大部分地区硼、氟、锂的含量都分别在平均背景值02mg/kg、465mg/kg和1mg/kg以上。但这些元素的富集状况及其高值、中值的地域分布则不完全相同。硼与锂的高、中值区分布范围更为接近，硼在西藏富集程度较高，锂除在西藏明显偏高外，从云贵高原东部到鄂西及江汉平原均为其高值带。氟高值区在我国南方呈零星分散状，与锂的分布情况总体相似，但在西藏地区，则未见明显富集。6 磷我国有磷高值（＞30mg/kg）和中值（78～30mg/kg）带各一条，与其相应还有两条低于背景值（647mg/kg）的磷低值带。高值带展布于阿尔泰山和大、小兴安岭和长白山等地。中值带从云贵高原断续延伸到东北南部，呈明显的北东－南西向展布。两条磷低值带：－条汇集在我国东南及东南沿海诸省和海南岛，另－条从青藏高原经甘肃、内蒙古西部直至辽西。7 铝我国大多数地区属铝含量接近于平均含量（52%）或稍高于平均含量的中值区，仅在滇、闽、粤、辽、吉、黑、内蒙古东北部、新疆北部和东部、晋南、川东、藏南、豫鄂皖交界地区，铝含量相对较高［w（Al）>8%］。铝中值区主要集中在大、小兴安岭，长白山和我国东南部地区。内蒙古高原、黄土高原、青藏高原、新疆和四川盆地等地均属低铝区。总体上说，铝的平均含量从东北到西南有逐渐增高的趋势。8 钼从宏观上看，我国东部存在两条北东－南西向的钼高背景值带（＞90mg/kg）。一条位于东南沿海，在浙、闽、粤等省比较集中，成片分布；另－条由云贵高原东部断续向北东方向延伸，经湘鄂西部、鲁西、川东，直到陕南。此外，在东北北部、新疆、西藏及青海也有不连续分布的高背景值区。内蒙古、陕、甘、宁、川西和辽、鲁、豫、苏、皖、赣则构成大致平行排列的两个低钼带。3 元素组合及空间分布现今展现的元素的分布格局乃是元素特性、区域地质背景和自然环境综合作用的结果，若仅对以水系沉积物为标志的区域地球化学特征作定性探讨，难以将各复杂因素之间关系明确地区分开来，但借助于各因素聚合而成的水系沉积物中的元素组合面貌，仍可揭示出区域地球化学的总体特征。不同地区元素间的主成分多变量相关分析结果清楚地表明，五个主成分可代表24种元素的累计贡献率的67%，但各个主成分的整体关联性并非十分密切。因此，我们采用了正交旋转和斜交旋转不同旋转方法对主成分分析的结果进行进－步剖析。旋转结果见表5。从正交和斜交旋转的结果可以判断出24种元素与五个因子的对应关系，并从中分析出究竟何种因素对不同元素组合的区域分布起着支配作用。1 因子1与钒、铬、钴、铜、铁、钛、锰、镍呈显著正相关从地质背景分析，这八种元素主要来自深部地壳或上地幔，再或是早期原始地幔分异的残留物；从现今环境来看，属于难以迁移的元素，具相近的化学特性，在风化过程中易于－起集聚和离散，因此，内陆区和三江区铁族元素的丰度高于高原区和沿海区。总的说来，影响水系沉积物中这类元素区域分布特点的主导因素是地质背景，并不是环境。表5 正交因子旋转：最大方差旋转的正交因子解模型（VARIMAX）注：＊表明呈明显的相关性。2 因子2与钾、钠、镁、铝、钙、磷、氟呈显著正相关这七种元素主要富集在上地壳内，其在地壳表层的总平均含量高于相应层位的铁族元素总平均含量。在它们自身的习性与行为支配下，从西北到东南随着自然环境的变化，淋溶作用和迁移能力增强，碱金属、碱土金属元素呈现出逐级下降的情景。这就表明，它们的迁移积聚状况主要受现今环境约束，而供给水系沉积物的母岩对其影响的程度仅处于从属地位。3 因子3与硼、汞、锂、砷呈正相关，与锶呈明显的负相关在内生作用中，从超基性岩经基性、中性到酸性岩，硼和锂含量逐步上升，尤以岩浆期后气成－热液形成的伟晶岩中最为富集；在表生作用下，硼、锂矿物皆易分解析出，并被粘土矿物吸附，吸附量与粘土矿物含量呈正比，水系沉积物中含量与现代环境关系较为密切，北低南高的变化趋势与粘土矿物量区域分布大体一致。砷和汞都易于在岩浆期后集中，在表生作用中又常伴生在一起，且不易迁移，水系沉积物中含量北方低于南方，基本上反映了原生状况。锶在伟晶岩中含量最低，在表生作用中易被镁置换而流失，水系沉积物含量出现了北高南低的变化。正是不同原因将这五种元素组合在一起，并与因子3建立了相关关系。4 因子4与钼、铅、锌呈明显的正相关这三种元素往往出现在与火成岩相伴生的热液中，而华南地区的岩浆活动为这类元素的富集创造了良好的机遇。就钼而言，华南花岗岩中含量并不高（3～8μg/g），但在强还原的表生作用下，在富含有机质和铁硫化物的沉积中，常发生一定程度的积累。铅、锌在内生作用中常紧密共生；在表生作用中，当处在中性环境下，遇到碳酸盐时，生成稳定的碳酸盐矿物，还原时，又一起生成硫化物沉淀。正是一些共同的特点，使这三种元素在水系沉积物中出现相互消长的关系。5 因子5仅与镉显著相关无论在岩浆岩中，还是在岩浆期后的热液中，镉均未出现显著的集中，常寄生在锌矿物内，成为稀有的分散元素。表生作用中的镉迁移能力很弱，易于留在原地，被粘土矿物吸附。正因为镉具有独特的习性，使其独自构成单一的体系。参考文献黄怀曾，吴功建等岩石圈动力学研究北京：地质出版社，1994黄怀曾全球地学断面研究现状及存在问题见：张炳熹等主编岩石圈研究的现代方法北京：原子出版社，8～19李家熙，吴功建等中国生态环境地球化学图集北京：地质出版社，1999左国朝，何国琦等北山板块构造及成矿规律北京：北京大学出版社，1990严阵秦巴花岗岩的主要特征见：李之彤主编中国北方花岗岩及其成矿作用论文集北京：地质出版社，115～119黄怀曾等青藏高原岩浆活动及岩石圈演化北京：地质出版社1993伍家善，耿元生，沈其韩等华北陆台前寒武纪重大地质事件北京：地质出版社，1991全国环境监察总站中国土壤元素背景值北京：中国环境科学出版社，1990刘英俊等元素地球化学北京：科学出版社，1984李家熙，吴功建，黄怀曾等区域地球化学与农业和健康北京：人民卫生出版社，2001 
水文地球化学的研究方法，除了借助于已有的地质—水文地质方法外，还必须采用现代化学、物理学和原子物理学等学科的理论、观点和方法，研究元素活动的历史及水文地球化学作用过程。尤其是近30年来计算机技术的迅速发展，至1985年已形成了50余个地球化学计算的软件，将地球化学模拟（化学热力学模拟和化学动力学模拟）引向深入。近二十年来，另一个引人注目的动态是地球化学已开始从平衡的静态描述转向重视其作用过程的动力学研究。此外，核检测技术取得的巨大进步使同位素技术在水文地质学研究中得到日益广泛应用。一、化学热力学计算地球化学模拟是近十几年发展起来的定量研究地下水地球化学演化的重要方法。对反应的识别是研究天然水化学演化的必要因素之一。近十几年来，国外已开始应用地下水地球化学模拟方法定量研究地下水地球化学演化问题。国内在九十年代才开始起步。地下水地球化学模拟是研究地下水地球化学演化的重要方法。当前亟需更多的热力学数据以及研究元素的化学形态（包括水溶态）的实验方法等。种类计算化学分析资料提供的某个元素的含量均是以其溶解态形式存在的一个总和值，并未给出该元素在水中存在形式及其在总和值中所占的比例。水溶液中的溶解态组分以单一离子络阴离子以及复杂的无机和有机络合物三种形式存在。水溶液中化学组分的迁移、富集过程中伴生着溶解—沉淀等作用，其结果使溶液中化学成分发生改变。由于络合作用，可使一种络合迁移形式转变为另一种络合迁移形式，在酸碱度、氧化还原电位的控制下，影响和制约元素参与溶解—沉淀、吸附—解吸等物理化学作用过程，以及元素在水溶液中的迁移、转化和富集的过程和规律性。因此，水中元素的存在形式对各种化学组分的溶解—沉淀等作用的强度及趋势产生重要影响，不考虑溶液中元素的具体存在形式，将元素的总含量不加区别地作为自由离子的含量，在研究物理化学作用过程中必将产生较大的误差，甚至会得出错误的结论。因此，查明水中元素的存在形式，才能正确地认识其迁移、富集和沉淀等问题。目前要将元素的存在形式全部测定出来是很困难的，但通过模拟水溶液物理化学反应的数值计算可获得求解。地球化学（反应）模拟是在平衡热力学理论基础上于60年代发展起来的一种理论计算方法。之后不断取得了改进和完善，至1985年已形成了50余个地球化学计算的软件，并可用以研究天然水系统和水岩系统的地球化学作用。地下水地球化学热力学模拟的理论基础是化学理论，可用物理化学模型和数学模型表述。模型可通过两种方法求解，一种是求解自由能函数的最小值方法，即最小自由能法；另一种是求解质量作用定律和质量守衡约束组成的一组多元非线性方程组，即平衡常数法。这两种方法在热力学上是完全等价的。在种类计算、质量平衡计算和物质迁移计算（或称反应途径模拟）中，种类计算是后两者的基础和不可缺少的组成部分。该热力学模拟计算在最近的大洋水多金属结核研究中及油田水研究中进行成功的应用，并取得了一系列重要的结论。质量平衡和反应路径计算质量平衡和反应路径计算是定量研究水文地球化学演化的重要手段。质量平衡模拟方法是已知起点和终点水化学成分，确定它们之间所发生的水-岩相互作用和矿物质量转移量，即所谓模拟的逆问题。由于质量平衡模型为一线性方程组，建模方法简单，求解容易，因此，许多研究者应用该方法研究了碳酸盐（如Plummer，1977，1983;Plummer等，1990;John等，1991;Back等，1970;Jones等，1993）或铝硅酸盐（James等，1989）含水层中的水-岩相互作用。反应路径模拟方法是已知起点水化学成分，利用质量平衡模型确定的水-岩相互作用和矿物质量转移量，预测终点水化学成分，是模拟的正问题。该模拟模型为—高次非线性方程组，需要用特制的计算机软件如PHREEQM和PATH计算程序来完成。二、动力学研究化学热力学理论可预测化学变化的方向和可能进行程度。自发化学变化沿着化学位梯度向降低的方向进行，当自由能随着反应程度的增加而降底时，反应是可能进行的。在平衡状态时，正反应驱动力等于逆反应的驱动力。并且由平衡常数K可以求得组成。但是一个自发过程并不一定是一个快速过程。整个化学反应的能量和它们的速度之间并没有简单的关系，它取决于诸多因素。例如在研究地热流体的管道硅酸盐结垢时，根据实验室经验和野外观察表明：存在大量的因素影响着硅沉淀的动力学特征。一些重要的因素有：饱和度、pH、温度、流量、流体所含气体的多寡以及流体中其他离子的存在（与KLBrown私人交谈）。在此我们不是想讨论结论问题，而是试图强调整个化学反应的能量和它们的速度之间并没有简单的关系。反应的动力学特性及速度公式是从实验中得到的，并且是按照由各级单元反应组成的机理来阐述的（W施图姆，JJ摩尔根，1981）。有关这方面的研究在我国正处在刚刚起步状态。中国科学院广州地球化学所吴大清等在其今年发表的论文探讨了CaCO3溶解作用的动力学方程。目前有关矿物-水反应的动力学数据正在积累之中，有关地球化学模拟中的动力学模拟理论还不成熟，比较适用的计算软件尚待建立。再者，考虑到许多地球化学作用是复杂的，非线性动力学过程。因此，随着非线性理论的发展，化学动力学在水文地球化学中的引入和应用越来越受到人们的关注。并且越来越多的野外观察、实验与理论研究表明，应将化学动力学的研究放在开放的和非平衡的复杂系统加以研究，目前国内外研究者们认为开放体系、非平衡和不可逆性是地球化学反应体系的普遍而重要的特征。建立了一些地球化学反应动力学的实验方法（如连续流动搅拌反器）等理论模式。特别是近年来通过实验陆续发现了化学振荡、混沌振荡、化学分形等非线性现象。在水文地球化学研究中这一理论的引入，将推动研究矿物-水反应速度，研究在开放-流动体系内物质与能量的传递，进而达到真正把握地球化学过程的本质。三、同位素研究50年代随着核检测技术的发展，同位素研究和应用在水文地质学研究中得到日益广泛的应用，不仅可以探讨地下水的起源、形成、埋藏和质与量的沿时变化等地下水形成理论问题，而且还可以判定地下水的补给来源、补给强度、各种补给来源的比例、补给区位置高度以及测定地下水年龄、流向和流速等实际应用问题。这种研究方法的进步，使水文地质工作者能够把大气水-地表水-地下水视为统一的“系统”，进而定量研究其转化关系。是否成功地利用同位素研究手段是国际学术界恒量研究成果质量优劣的一个重要方面。原苏联对很多盆地的地下水同位素进行了调查以解决区域水文地质问题，并对同位素水文学的理论和应用进行了研究。美国的研究者们应用环境同位素进行了大量水文地质示踪试验，平价地下水的补给量，确定地下水中的溶质运移，研究裂隙地层的渗透性能，示踪天然水力坡度等，并对示踪试验的原理、问题和应用进行了广泛的研讨。他们还调查了环境同位素示踪剂地下运移和分布及其与包气带水分运移空间变化之间的相关关系。加拿大、日本和西德等国在地下水研究中也应用了同位素方法，如通过测定氚的浓度来验证地下水的流速，利用环境同位素氚和碳-14的浓度直接求出地下水的年龄，利用人工放射性同位素示踪，在单孔中测定地下水流向、流速和渗透系统，通过多孔测定有效孔隙度、导水系数和弥散系数等。我国同位素技术成功地在地热系统、地下水盐化作用、地下水年龄、区域水文地质学、矿床水文地质学、环境地质学等方面得到应用并产生了相应的研究成果。其主要进展可概括为如下几个方面。地下水年代学研究国内的地下水同位素年代学研究始于70年代末80年代初，刘存富教授、张之淦研究员等分别对河北平原第四系地下水进行研究，所采用的方法主要有氚、碳-14和氯-36等核素。1993年以来，孙继朝等对河北平原第四系地下水进行更系统研究，在其最近的论文中指出由于地下水的年龄不同于岩石或矿物的年龄，地下水处在不断运动且与流经介质相互作用着。事实上，没有任何一滴水是由单一年龄的水构成的，所谓地下水年龄是一个平均值，其精度受测年方法、研究对象和取样过程的制约。他们认为提高测年质量的关键是加强水岩作用和水动力混合影响研究，并建议将测年纳入研究工作全过程。同位素分馏理论从70年代中期开始，美、法、日等国除不断推进氢氧同位素的研究外，相继探索氮同位素方法确定地下水中硝酸盐起源，作为传统方法的重要补充，已显示出良好前景。针对水圈被氮化合物污染已成为一个严重的环境问题，人们越来越关注氮同位素的研究。邵益生等对水土环境中的氮同位素分馏机理作了深入的研究。并认为影响氮同位素分馏的七个因素为：固氮、同化、矿化、硝化、反硝化、离子交换及氨的挥发。而硝化、反硝化和氨的挥发是影响地下水中硝酸盐的同位素组成变化最直接和最主要的过程。硼、氯同位素应用进入80年代中期以来，硼、氯同位素测定技术的提高，自然界中硼、氯同位素的分馏被证实并引起重视。硼、氯同位素地球化学的研究已在海洋、盐湖、地下水、蒸发岩、热液矿床、环境等方面开展，并显示出良好前景。地下水同位素年代学剖面的建立和环境演变信息的提取地下水作为古气候变化信息的档案库进行研究始于1993年，各国学者的研究有一个共同的特点，就是不再将地下水仅仅视为流体，而是作为信息储存库进行研究。我国学者孙继朝等通过对河北平原第四系地下水的研究，建立了地下水同位素年代学剖面，并与各种古气候研究剖面进行对比。研究表明地下水的形成过程并不是一个简单的连续过程，其过程受控于区域排泄基准面的变化。地下水确实记录了古气候变化信息，水中主要离子的分布支持这种认识。国外地下水中惰性气体的研究证实了这一点，此方面的研究将是未来的一个重要方向。同位素方法在我国正处在方兴未艾阶段。同位素技术深化了研究者对天然水的认识层次，使人们从水的分子结构层次和原子结构层次深入到原子核层次。
1引言环境化学（environmental chemistry）是研究化学物质，特别是化学污染物在环境中的各种存在形态及特性、迁移转化规律、污染物对生态环境和人类影响的科学，主要研究有害化学物质在环境介质中的存在、化学特性、行为和效应及其控制的化学原理和方法。它是环境科学研究和环境科学的基础内容之一。2概述造成环境污染的因素可分为物理的、化学的及生物学的三方面，而其中化学物质引起的污染约占80%－90%。环境化学即是从化学的角度出发，探讨由于人类活动而引起的环境质量的变化规律及其保护和治理环境的方法原理。就其主要内容而言，环境化学除了研究环境污染物的检测方法和原理(属于环境分析化学的范围)及探讨环境污染和治理技术中的化学、化工原理和化学过程等问题外，需进一步在原子及分子水平上，用物理化学等方法研究环境中化学污染物的发生起源、迁移分布、相互反应、转化机制、状态结构的变化、污染效应和最终归宿。随着环境化学研究的深化，为环境科学的发展奠定了坚实的基础，为治理环境污染提供了重要的科学依据[1]。 从学科研究任务来说，环境化学的特点是要从微观的原子、分子水平上来研究宏观的环境现象和变化的化学机制及其防治途径，其核心是研究化学污染物在环境中的化学转化和效应。它所研究的环境本身是一个多因素的开放性体系，变量多、条件较复杂，许多化学原理和方法则不易直接运用。 3主要研究领域和内容1研究污染物(主要是化学污染物)在环境(包括大气圈、水圈、土壤岩石圈和生物圈)中的迁移、转化的基本规律，形成环境污染化学这一介于环境科学与化学之间的一门新兴的边缘分支学科。2研究环境中污染物的种类和成分及其定量分析方法，形成环境分析化学(常简称环境分析)。它是环境化学的分支学科。3研究环境中天然的和人为释放的化学性质的迁移、转化规律及其与环境质量和人类健康的关系，形成环境地球化学。它是介于环境与地球化学之间的一门新兴的边缘分支学科。4环境概况及解决方法1有害化学品的污染危害有害化学品是指任何已经被确认为对人类健康和环境有危害性的化学品。随着工农业迅猛发展，有毒有害污染源随处可见，而给人类造成的灾害要属有毒有害化学品为最重。化学品侵入环境的途径几乎是全方位的，其中最主要的侵入途径可大至分为四种，11人为施用直接进入环境；12在生产、加工、储存过程中，作为化学污染物以废水、废气和废渣等形式排放进入环境；13在生产、储存和运输过程中由于着火、爆炸、泄漏等突发性化学事故，致使大量有害化学品外泄进入环境；14在石油、煤炭等燃料燃烧过程中以及家庭装饰等日常生活使用中直接排入或者使用后作为废弃物进入环境。 进入环境的有害化学物质对人体健康和环境造成了严重危害或潜在危险。 以农药这一有害化学品为例，随着农药科技和农业的迅速发展，农药的使用越来越普遍，从不使用农药的自然农业发展到使用农药的现代农业，对于我国这样一个人口众多，耕地面积紧张的大国，农药在解决农作物的自然灾害，促进粮食增产方面发挥了重要作用。但由于农药是一类有毒化学物质，而且是人为主动投加到环境当中，长期大量使用，对环境生物安全和人体健康，必将产生较大的不利影响。这就给人们提出了一个不容回避的现实问题，在充分肯定农药的有利作用的同时，需要充分认识农药对生态环境和人体健康产生的危害[2]。 同时工业废水也是对环境最大的污染源之一，譬如工业废水中的氰化物等有害物质严重污染了全国主要江河湖泊，使水质恶化，特别是淮河、海河、辽河、滇池、巢湖和太湖（简称“三河三湖”）水污染问题更为突出，给当地经济发展和人民生活带来严重影响。工业废水中排放的氰化物对鱼类危害更甚，含苯酚废水可抑制水中细菌、藻类和软体动物生长。用含酚废水灌溉农田能抑制光合作用和酶的活性，破坏农作物生长素的形成，造成减产。生活污水和某些工业废水中常含有一定量的氮和磷，进入水体后会使封闭性湖泊、海湾形成富营养化，造成浮游藻类大量繁殖、水体透明度下降、溶解氧降低、威胁鱼类生存、水质发臭出现“赤潮”。化学废弃物的不适当处置，会造成土壤板结和地下水污染，直接威胁人体健康和人类生存。目前癌症已成为严重威胁人类健康和生命的疾病之一。据世界卫生组织估计，全世界每年有癌症患者600万人，每年因癌症死亡约500万人，占死亡总人数的1/10。我国每年癌症新发病人有150万人，死亡110万人，而造成人类癌症的原因10%～15%与化学因素有关。 再则冷冻与空调设备释放出的氯氟烃气体造成大气平流层的臭氧层破坏，引起地球表面紫外线辐照增强，使人群皮肤癌发病率上升。燃煤发电厂等排放的二氧化硫引起的酸雨导致河流湖泊酸化，影响鱼类繁殖甚至种群消失。土壤酸度增高可使细菌种类减少，肥力减退，影响作物生长。酸雨还使土壤中锰、铜、铅、镉和锌等重金属转化为可溶性化合物，转移进入江河湖泊引起水质污染。 有害化学品对人体健康和环境的危害是我国环境保护中亟待解决的重要问题，必须引起全社会高度重视。2化学品的环境污染控制我国是化工生产量较大的国家，化工产业已形成一个比较完善的体系。要想控制或减少对环境的污染，应从化学品的生产过程中的污染控制方面加以考虑，首先应了解化工厂的污染情况，包括：污染源种类、主要污染物、排放情况、环保措施以及周围环境敏感性等。特别应对污染源分布进行调查和污染物排放量的统计、同时应了解污染影响类型，如是属于一次污染或二次污染、长期污染或短期污染、可逆污染或不可逆污染、局部污染或大面积污染、单因素污染或多因素复合污染等等。化学品的污染危害控制，应采取以下主要措施:21制定和健全环境立法，加强环境执法力度我国于1979年已经颁布了《中华人民共和国环境保护法》，该法是我国有关环境保护的综合性法规，也是环境保护领域的基本法律，主要规定了国家的环境政策、环境保护的方针、原则和措施等；国务院还制定了《水污染防治法实施细则》、《大气污染防治法实施细则》和《固体废物污染环境防治法》等环境保护法律、国务院颁布了《化学危险物品安全管理条例》和《农药管理条例》等化学品管理行政法规。国家还专门制定了环境保护标准、污染物排放标准、环保基础标准和环保方法标准。如已颁布的环境质量标准有《环境空气质量标准》、《地面水环境质量》等；污染物排放准有《工业"三废"排放标准》、《污水综合排放标准》等等；同时地方性环境保护法规、环境保护部门规范性文件都作了明确规定等。这些法律法规的颁布实施对加强有害化学品的安全管理，防止化学物质污染环境和保障人民群众身体健康发挥了重要作用。但是，我国尚未建立起完整的化学物质环境管理法规体系，对化学物质的生产、储存、运输、销售、使用和进出口实行全过程有效管理[3]。 我国现行化学品环境立法需要针对当前化学品管理法律法规中的薄弱环节加以补充完善，并与国际化学品管理体制接轨。此外，当前迫切需要加强的是对化学品管理法律法规的执法力度。对环境保护造成严重污染的企业，应依法给予追究，对人身由环境污染造成危害的应依据法律给予处罚和赔偿。这在日本等工业发达国家早已实行了的法律管理制度。我们还应通过宣传教育提高从事化学危险品生产、贮存、经营、运输和使用的单位和个人的遵法守法意识，加强对有害化学品的安全和环境管理。特别是应按着我国环境保护法来严格管理有害化学品。22加强对重点有害化学品的环境管理 建立相应登记管理制度，对那些已知或怀疑对人类有致癌、致畸、致突变物质或者对环境有严重危害化学品采取禁止或严格限制使用和淘汰、替代措施，以有效减少这些化学物质的污染危害。23推行清洁生产，严格控制有害化学物质向环境中排放 化工污染之所以严重，一个重要原因是一大批老企业长期以来没有进行技术改造，资源、能源消耗太高，排污量太大。全面推行清洁技术改造，通过改革工艺设备，尽可能把"三废"消除在生产过程之中，减轻末端治理的负担，是改变化工生产消耗高、污染大的落后局面的根本途径。积极推行清洁生产，就要选用清洁原料，采用无毒无害物质替代有害原材料、设计清洁工艺、生产清洁产品。同时改善和加强企业内部安全管理等措施，在污染的源头削减污染物和废物产生量并回收利用废物。最大限度消除或削减有害物质的排放。对通过预防不能解决的污染物，应采取源控制措施进行安全处理处置，使污染物达到国家或地方规定的排放标准。24强化危险废物管理 危险废物是指具有易燃性、腐蚀性、反应性、爆炸性、急性毒性、传染性等危险特性之一的废弃物。根据《固体废物污染环境防治法》的规定，从事危险废物的收集、贮存、处置经营活动的单位，必须经环境保护行政主管部门批准并领取经营许可证。25公众监督通过建立和实行危险化学品的安全标签和安全技术说明书制度，在企业员工和化学品使用者中普及化学品安全和环境保护知识。并在全社会积极宣传有关化学品安全与环境保护知识，提高社会公众对有害化学品的危害、安全防护措施和环境保护的认识，大力鼓励公众参与监督有害化学物质的污染防治。5结论要时刻关注生态系统的表现，尽早发现失调的信息，及时扭转不利的情况。积极提高生态系统的抗干扰能力，保护生态系统，预防生态失调。参考文献[1]袁加程环境化学化学工业出版社，2010[2]张瑾环境化学导论化学工业出版社，2008[3]周启星，李培军污染生态学，科学出版社，2001
