Geochemistry of Marine Sediments pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:Princeton Univ Pr

作者:Burdige, David J.

出品人:

页数:630

译者:

出版时间:2006-8

价格:$ 112.94

装帧:HRD

isbn号码:9780691095066

丛书系列:

图书标签:

• 海洋地球化学
• 沉积物地球化学
• 海洋沉积物
• 地球化学
• 同位素地球化学
• 微量元素地球化学
• 海洋环境
• 地质学
• 环境地球化学
• 沉积学

蔚蓝深处的密码：海洋沉积物地球化学导论 第一章：海洋沉积物的形成与地球化学基础 海洋，这颗蓝色星球上最广阔的疆域，不仅是生命的摇篮，更是地球化学过程的巨大反应器。海洋沉积物，作为记录了地球数亿年历史的“档案库”，其内部蕴含着复杂的物质循环信息和环境变迁的密码。理解这些沉积物的地球化学性质，是揭示海洋地质过程、古气候变化乃至地球内部物质迁移的关键。 本书将从基础的地球化学原理出发，系统阐述海洋沉积物的物质组成、形成机制及其在海洋系统中的地球化学循环。 1.1 海洋的物质来源与沉积物的初始物源 海洋沉积物的形成是一个多阶段、多来源的复杂过程。我们首先需要追溯这些物质的源头。 1.1.1 大陆风化与河流输入： 陆地是海洋沉积物最主要的物质来源。岩石在风化作用下分解，通过河流系统被持续不断地搬运至海洋。这些物质主要以碎屑颗粒的形式进入海洋，包括石英、长石、黏土矿物等硅酸盐组分，以及少量的有机碳和营养盐。河流输入量受气候、构造活动和流域地质背景的强烈控制。我们需要探讨河流悬浮物（Riverine Suspended Matter, RSM）的地球化学特征，如其主要的微量元素比值（如Th/Sc、La/Sm）如何反映其物源岩石类型（如大洋玄武岩、大陆地壳）。 1.1.2 火山活动与海底热液作用： 海底火山喷发和热液活动是海洋沉积物中特殊元素和矿物的重要贡献者。火山灰中的玻璃质物质和直接喷发的颗粒物（如玄武质颗粒）为沉积物带来了高含量的铁、锰、镁等元素，并形成了独特的化学沉积层。深海热液喷口周围形成的硫化物和氧化物沉积，是地球深部化学物质与海水相互作用的直接证据，它们富集了硫、铜、锌等过渡金属。 1.1.3 宇宙成因物质： 尽管数量相对较少，但来自太空的微流星体和陨石碎片对深海沉积物的地球化学特征具有不可忽视的影响。这些物质富含铱、铂族元素（PGEs）以及某些与地幔相似的同位素特征。对这些物质的分析，可以帮助我们重建深海沉积速率，并识别潜在的撞击事件。 1.2 沉积物的分类与矿物学基础 海洋沉积物并非均一的混合物，其分类主要基于其主要组分的来源和沉积环境。 1.2.1 碎屑沉积物（Terrigenous Sediments）： 由陆源物质主导，主要分布于大陆架和斜坡区域。其地球化学特征受控于源岩的母质和搬运过程。黏土矿物（如伊利石、高岭石、坡缕石）的种类和含量，是判断沉积环境水动力条件和古气候变化的关键指标。 1.2.2 自生（化学）沉积物（Hydrogenous/Authigenic Sediments）： 在海水中直接沉淀形成的矿物，如锰结核、富含铁/锰的氧化物层。这些沉积物的地球化学特征直接反映了当前或过去海水的地球化学状态，特别是氧化还原条件和营养盐的有效性。例如，锰结核中富集的大量稀土元素（REEs）和高场强元素，是分析海水化学的重要载体。 1.2.3 生源沉积物（Biogenous Sediments）： 由海洋生物遗骸形成，主要包括硅质（如硅藻、放射虫的二氧化硅壳体）和碳酸盐质（如球石藻、有孔虫的碳酸钙壳体）。它们的沉积速率和保存程度与海洋的生物生产力、海水温度、以及溶解碳酸盐的程度（如喀斯特补偿深度，CCD）密切相关。碳酸钙的同位素记录（$delta^{18} ext{O}$和$delta^{13} ext{C}$）是重建古海洋学和古气候学的核心工具。 1.3 海洋沉积过程中的地球化学反应 一旦物质到达海底，一系列快速或缓慢的地球化学反应便开始塑造最终的沉积物特征。 1.3.1 氧化还原反应（Redox Chemistry）： 沉积物中的有机质降解是驱动沉积物内部地球化学反应的主要能量来源。在有氧条件下，有机质被氧化，消耗氧气。当氧气耗尽后，硝酸盐还原、锰还原、铁还原等序列反应依次发生，形成分带的化学环境。例如，铁（$ ext{Fe}^{3+}$）还原成可溶性的亚铁离子（$ ext{Fe}^{2+}$）会显著改变沉积物的颜色和微量元素的形态分布。硫化物的形成（如黄铁矿）标志着强还原条件的出现。 1.3.2 吸附与络合作用： 沉积物颗粒表面，特别是黏土矿物和有机质，具有高比表面积和丰富的表面电荷，它们是海水中的痕量金属离子和阴离子发生吸附和离子交换的场所。这些过程决定了沉积物对环境污染物（如重金属）的捕获能力和长期地球化学归宿。有机酸和络合剂的存在，会改变金属离子的溶解度和迁移率。 1.3.3 早期成岩作用： 沉积物在埋藏过程中，颗粒间的孔隙水发生化学变化，导致新的矿物相（如自生碳酸盐、硅质胶凝物）的形成。这些早期成岩反应，如溶解、重结晶和胶结作用，会改变沉积物的孔隙率、渗透率和整体的地球化学指纹。 第二章：关键地球化学示踪剂与古海洋学应用 海洋沉积物地球化学的核心价值在于其作为地球系统的“记录仪”。通过分析特定元素、同位素或有机物的分布模式，我们可以重建过去的海洋环境和地质事件。 2.1 稀土元素（REEs）在沉积物中的行为 稀土元素（Lanthanides）因其化学性质高度相似、地球化学行为稳定，且受源岩和水体化学过程的影响，是极佳的地球化学示踪剂。 2.1.1 稀土元素的来源判别： 陆源碎屑中的REEs通常表现出轻稀土（LREEs）的富集和明显的铈（Ce）的负异常，其特征与源岩的地球化学背景一致。然而，当沉积物中存在大量自生成分（如锰氧化物）时，Ce的富集（Ce正异常）会变得突出，表明存在强烈的氧化环境下的沉淀作用。 2.1.2 海水化学过程的指示： 在深海沉积物中，特定的REEs分馏模式可以揭示水体混合和水团的特征。例如，通过分析沉积物中可提取态的REEs，可以反演出沉积物孔隙水与上覆海水的交换速率和物质传输路径。 2.2 稳定同位素地球化学：重建古环境参数 稳定同位素比值（如$delta^{18} ext{O}$、$delta^{13} ext{C}$、$delta^{34} ext{S}$）记录了过去环境温度、冰量和生物地球化学循环的改变。 2.2.1 氧同位素 ($delta^{18} ext{O}$) 与温度和冰量： 主要针对碳酸钙骨骼（如底栖或浮游有孔虫）进行分析。$delta^{18} ext{O}$值高低主要反映了两个因素的综合作用：一是沉积物形成时的水体温度（温度低时$delta^{18} ext{O}$值高），二是全球冰量（冰盖增加时轻同位素被锁在冰中，海水$delta^{18} ext{O}$值升高）。通过分析深海核心中的$delta^{18} ext{O}$曲线，科学家得以精确地重建过去数百万年的冰期-间冰期旋回。 2.2.2 碳同位素 ($delta^{13} ext{C}$) 与海洋碳循环： $delta^{13} ext{C}$主要记录了海洋中溶解无机碳（DIC）的来源和海洋生物的生产力。上覆水体中$delta^{13} ext{C}$的降低通常与大量有机质在沉积物中快速埋藏（导致轻的$^{12} ext{C}$被固定）或火山活动释放的富集$^{12} ext{C}$有关，常指示全球性的海洋环流或生产力事件。 2.3 放射性同位素测年与沉积速率 放射性同位素体系是确定沉积物年龄和沉积速率的绝对标准。 2.3.1 铅同位素（Pb Isotopes）： 铅同位素比值（如$^{206} ext{Pb}/^{204} ext{Pb}$）对于区分陆源贡献和深海自生贡献至关重要。陆源碎屑的Pb同位素特征与大陆地壳的演化历史相关联，而深海自生沉积物或热液物质的Pb同位素则反映了地幔或局部基岩的特征。这使得Pb同位素成为追踪物质传输路径的有效工具。 2.3.2 宇宙成因核素（Cosmogenic Nuclides）： 如$^{10} ext{Be}$和$^{26} ext{Al}$等，它们在地球大气层中产生，并被沉降到海洋中。由于其半衰期适中，它们常被用于测定深海沉积物的长期平均沉积速率（通常在每百万年尺度），尤其是在缺乏其他测年手段的区域。 第三章：沉积物中的生物地球化学过程 有机地球化学关注沉积物中有机质的来源、转化和保存，揭示了海洋生态系统与物质循环的耦合关系。 3.1 有机质的来源与成熟度 沉积物中的有机质（包括陆源和海源）的组成和结构，是分析古生产力和沉积环境的直接证据。 3.1.1 有机质的分子标志物（Biomarkers）： 通过分析特定的脂质分子（如甾烷、三萜烷、脂肪酸等），可以精确识别贡献有机质的生物类型（如特定的细菌、藻类或高等植物）。例如，特定类型的甾醇可以指示特定种类的硅藻或甲藻的存在。 3.1.2 有机质的降解与保存： 沉积物中化学诱导的氧化还原分带，对有机质的保存起到关键作用。在富含有机质的沉积物中，早期埋藏过程中的快速还原作用（如硫还原）能够使有机质稳定下来，减少其被氧化的机会，从而形成富含有机碳的沉积层。沉积物的粒度（如细粒泥浆 vs. 粗粒砂）也会影响有机质的暴露程度和降解速率。 3.2 营养盐的循环与埋藏 磷和氮是限制海洋初级生产力的关键营养盐。它们在沉积物中的地球化学行为决定了海洋生物地球化学的反馈机制。 3.2.1 磷的地球化学归宿： 磷主要以磷灰石、铁锰氧化物表面吸附态以及生物源碳酸钙和有机质的形式存在。在富氧条件下，磷易于被铁氧化物固定在沉积物中，表现出强烈的氧化物/氢氧化物沉淀。在还原条件下，铁还原作用释放出更多的溶解态磷（$ ext{PO}_4^{3-}$），导致孔隙水中的磷浓度升高，并可能向上覆水体释放，驱动海洋的二次生产力。 3.2.2 氮的转化与固定： 沉积物中的氮主要以有机氮的形式存在。在厌氧条件下，反硝化作用和厌氧氨氧化（Anammox）是沉积物中重要的氮素去除途径。分析沉积物中不同形态的氮（如总氮、硝酸盐、铵盐）以及氮同位素比值，可以量化海洋生态系统中氮的损失速率。 第四章：沉积物与海洋环境灾害记录 海洋沉积物不仅记录了缓慢的气候变化，也记录了高能量事件和环境突变。 4.1 沉积物中的地球物理事件记录 4.1.1 浊积流与碎屑流： 海底发生地震或斜坡失稳时产生的浊积流，会在沉积物中留下特征性的“厚-薄-粗-细”的粒度序列。这些事件层是重建海底活动历史（如海啸、地震）的重要证据。地球化学分析（如元素比值和磁性矿物）可以帮助区分浊积流中陆源物质和局部海底物质的混合程度。 4.1.2 气泡与甲烷水合物的解离： 在某些海域，沉积物中可能存在甲烷水合物。这些水合物的解离会导致沉积物结构破坏和大量的甲烷气体释放。地球化学指标，如沉积物中显著降低的氧化态元素（如$ ext{Fe}^{3+}$）和高含量的硫化物，可以作为过去或正在发生的甲烷渗漏事件的间接证据。 4.2 人类活动对海洋沉积物的影响 近百年来，人类活动对全球海洋沉积物的地球化学背景产生了深远影响。 4.2.1 重金属污染物的沉积记录： 工业排放的重金属（如Pb, Zn, Cu, Hg）在进入海洋后，迅速与颗粒物结合，沉积在近岸和大陆架区域，形成与工业革命时间点同步的地球化学异常峰值。利用$ ext{Pb}$同位素可以清晰地区分污染源是来自陆源还是海洋内部过程。 4.2.2 放射性核素示踪： 人工放射性核素（如$^{137} ext{Cs}$），主要来源于核试验或核事故，它们与黏土矿物强力吸附，是确定表层沉积物扰动程度和沉积速率的精确时间标志。 本书通过系统梳理海洋沉积物的物质来源、矿物学基础、关键地球化学循环过程以及作为环境记录的潜力，旨在为地球科学研究者提供一个全面而深入的理解框架，以解码蔚蓝深处所蕴藏的地球历史和环境信息。

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