环境地球化学

1、环境地球化学环境地球化学是环境科学与地球化学之间的一门新兴的边缘学科，是环境地学的一个分支。它主要研究环境中天然的和人为释放的化学物质的迁移转化规律，及其与环境质量、人体健康的关系。一、学科起源近代地球化学着重研究化学元素在地壳中的迁移、转化、分散和富集问题。各种金届和非金届元素、各种天然的无机和有机化合物在自然界的运动受地球化学规律的支配。随着社会生产的发展，出现了环境问题。人为释放的各种金属和非金属元素、各种无机和有机化合物也加入自然界原有物质循环之中，它们在自然界的运动同样受地球化学规律的支配。因此，地球化学的许多原理和方法可以应用于环境问题的研究，这样就促进了环境科学与地球化学的结合，

2、导致了环境地球化学这门新兴的边缘学科的诞生。二、发展历史20世纪初期，.维尔纳茨基系统论述了活质的地球化学作用，成了萌发环境地球化学的基础。这时期已发现一些地方性疾病如氟斑牙与当地居民生活的水环境有密切关系。20世纪60年代由小林纯和H.A.施罗德进行的饮用水质与心血管病关系的研究进一步强调了饮用水质的地球化学与人体健康的关系。70年代初期，李长生、洪业汤等发现中国克山病、大骨节病吴东北西南向条带状分布的规律、提出了包括岩石、土壤、气候、植被在内的综合环境质量以及元素在岩石-土壤-饮水食粮人系统中的地球化学行为与人体健康关系的思想，推动了环境地球化学的开展。同时，由于世界性工业环境污染严重，人

3、为污染环境和原生天然环境是环境地球化学领域的两个方面的思想被普遍接受，环境地球化学的研究体系得以基本构成。进入80年代，国际舆论对诸如全球气温上升、臭氧层损耗、全球性土壤侵蚀、矿质燃料消费与大气污染和酸雨、大规模砍伐森林的环境影响等全球性环境和生态状况恶化的关心，迅速超过对局部性环境污染问题的关心。三、研究内容环境地球化学主要研究人类环境的化学性质、研究污染物在环境中的迁移转化规律、研究环境中的化学物质对生物体和人体健康的影响。环境地球化学与健康。研究一些地方性疾病（如克山病、大骨节病、地方性甲状腺肿和地方性氟中毒等）和多发病（如心血管病、食管癌、结石病等）的地球化学环境。研究病区的岩石和土壤

4、类型，环境的氧化还原电位和酸碱度，元素在环境人系统中的含量、分布、存在形态和传递等，为病因研究和防治措施提供基础。污染物的环境地球化学。研究人为活动释放的污染物的来源和分布、含量和形态、迁移与转化、自净与归宿，为控制和消除污染提供依据。环境背景值。又称环境基线值，指未受人为活动污染的环境介质中化学元素的原始含量水平。严格地说不受人为污染的环境已很难找到，因此，环境背景值只具有相对意义，但它是研究各种环境现象的基础资料。环境背景值常用电子计算机作成的元素分布图来表达。同位素的环境地球化学。同位素包括稳定同位素和放射性核素（见同位素地球化学）。研究不同环境介质中稳定同位素的组成、同位素分馏现象和放

5、射性核素的衰变过程。稳定同位素和放射性核素被当成示踪原子，以研究各种环境地球化学过程在空间和时间上的变化。例如，根据大气环境中34S/32S的比值，可评价大气中硫的不同来源，揭示天然释放和人为活动释放对大气二氧化硫的相对贡献量。利用树木年轮中 14C/12C的比值，可确定历史时期大气中二氧化碳的含量水平和演变规律。古全球环境变化。通过研究各类地质体中保存下来的环境地球化学记录，研究历史时期或地史时期地球环境的特征，为评价现代环境和预测发展趋势提供基础。现代全球环境变化。研究现代大规模人为活动影响下，地球环境的化学组成以及地球各圈层界面间进行的化学作用的变化，研究这些变化对人类生存的影响。具体内

6、容包括：陆地生态系统和大气圈之间的物质和能量的交换及环境效应；海水和大气圈之间的物质和能量交换及环境效应；水圈的环境地球化学；气候变化对陆地生态系统中的环境地球化学过程的影响等。由于全球环境变化研究涉及的面广和意义重大，国际科学联合会(ICSU)已发起一项大型的国际合作研究计划，即国际地圈生物圈计划(IGBP)，从1990年开始执行，并将一直延续到21世纪。四、学科作用从地球化学的角度看：人类环境可分为五个地球化学系统，即表面岩石圈系统、大气系统、水系统、土壤-生物系统和技术系统。为了改善人类环境质量，必须深入了解这些系统的地球化学性质。这些系统是在地质历史过程中逐步演化、依次产生的，它们的化

7、学性质不断地发生变化。到了近代，人类运用强大的技术力量大规模地改变自然界的面貌，地壳深处大量的化学物质被采掘出来，种类越来越多、数量越来越大的自然界本来不存在的化合物被合成出来，它们中的一部分不可避免地被散布到环境中。在原来环境物质循环的基础上，叠加了这些新的物质的循环，对人类环境质量产生了严重影响。环境地球化学的重要任务之一就在于及时地研究现代环境化学变化的过程和趋势，在原来地球化学的基础上，更加深入地研究组成人类环境的各个系统的地球化学性质。人为散发的污染物在环境中不断发生空间位置的移动和存在形态的转化。这种迁移转化的结果，可以向着有利的方向发展，如污染物被稀释、扩散、分解，甚至消失；也可

8、以向着不利的方向发展，如污染物在某些条件下积累起来，转变成为持久的次生污染物。污染物在环境中的存在形态可以通过各种化学作用不断发生变化，如溶解、沉淀、水解、络合与整合、氧化、还原、化学分解、光化学分解和生物化学分解等。污染物的存在形态不同，其毒性也往往不同，如六价铬的毒性大于三价铬，铜的络离子的毒性小于铜离子，且络离子愈稳定，其毒性愈小。污染物的存在形态不同，生物对它的吸收作用也不同，如水稻易于吸收金届汞、甲基汞，而不吸收硫化汞。在环境污染研究中，不但要研究污染物的总量，还必须研究污染物的形态。在一个特定的环境中，污染物的存在形态取决于环境的地球化学条件，如环境的酸碱条件、氧化-还原条件，环境

9、中胶体的种类和数量、环境中有机质的数量和性质等。地球化学的研究表明，在地球表面上的每一特定地区都有它特有的地球化学性质，所以应用地球化学的原理和方法，能够较好地阐明污染物在环境中迁移转化规律。这方面的研究有助于评价环境质量，预测环境质量变化的趋势；有助于了解自然界对污染物的自然净化能力；有助于制定环境标准和制定改造已被污染的环境的措施。环境地球化学是在生物地球化学的基础上发展起来的。关于环境元素和生命元素的关系，早在40年代，生物地球化学的研究即指出：有机体中所含的化学元素与生物圈中所存在的化学元素成正比；组成有机体的主要元素在生物圈中都是容易形成气体和水溶性化合物的元素。人体的组成是人类在漫

10、长的岁月中通过新陈代谢，与环境进行物质交换，并通过遗传、变异等过程建立了动态平衡的结果。显然，人类释放到环境中的各种各样的化学物质，必然会以不同的程度进入生物和人的机体。当机体组织不能忍受这些物质时，就会产生严重的后果。汞污染引起的水俣病和镉污染引起的痛痛病是这方面的突出的例子。环境地球化学在这方面的任务不仅研究现代环境化学组成的变化同生命体、人体化学组成和人类健康的关系，而且在更广阔的地质背景上研究宇宙元素、地壳元素、海洋元素同生命元素之间的关系，研究生命过程的地球化学演化等问题。五、研究方法环境地球化学的研究方法通常有两种：现场调查研究法和实验室模拟试验研究法。在现场调查研究方面，科学地确

11、定取样地点最为重要。采样点必须有代表性和有足够的数量。为查明化学物质在环境中的迁移转化特点，通常采用共轭布点法。所谓共轭布点法就是同时对各种有关连的环境要素进行对比取样分析。如在研究风化壳的化学成分时，同时采集流经这种风化壳的河流的水样进行分析；在研究土壤的化学成分时，同时采集生长在这种土壤上的植物样品集流经这种风化壳的河流的水样进行分析；在研究土壤的化学成分时，同时采集生长在这种土壤上的植物样品进行分析，这样就能获得关于环境诸要素间存在着密切的地球化学联系的资料，从而了解所研究的化学物质在全环境中的迁移状况。现场调查研究法只能说明所研究的物质在环境中迁移作用的结果，而不能说明这种结果发生的原

12、因和机制必须在实验室内进行简单的或复杂的模拟实验，即在人工设计的环境中进行某一过程的观测研究。设计时所采用的环境参数既要服从实验目的，又要尽可能接近环境的实际情况。现代分析测试技术是研究环境地球化学的重要手段在环境地球化学研究中已经采用的现代分析测试技术有中子活化分析法、火花源质谱法、化学电离质谱法、用电感耦合等离子体源的原子发射光谱法、无火焰原子吸收光谱法、x射线荧光谱法、电子探针法、化学分析电子能谱法、阳极溶出伏安法、差示脉冲极谱法和气相色谱法等。进行环境地球化学研究，要求分析测试方法的灵敏度要高，准确度要好，基体反应要小，并能进行多元素分析。地球化学的一个分支。研究人类赖以生存的地球环境

13、的化学组成、化学作用、化学演化及其与人类的相互关系的学科。这种关系包括两方面内容：原生环境的地球化学性质与人体健康的关系；人类活动对环境的化学组成、化学作用和化学演化的影响及其环境效应。环境地球化学着重研究人而不是一般生物与环境的关系。六、研究手段环境地球化学运用各类专门器具，采集地表、水下和空中的无机和有机样本。为确定环境样本中化学元素的含量和组合，各种成分分析仪器和质谱计、能谱仪是它的必备手段。经常采用的研究方法有下面几种。对比研究法。为确定一个地方病病区环境化学组成的变异,需和非病区对比;为确定一地区的污染状况，需和清洁对照区对比等。元素追索法。即紧紧抓住所瞄准的元素，研究它在环境中运动

14、的各个环节或在各种介质中的地球化学行为。环境档案研究法。树木年轮、冰岩心、湖泊沉积、海湾沉积、深海沉积、珊瑚、黄土、古土壤、河流泥沙、沉积岩、花粉、包裹体等都不同程度地记录下了它们形成时的环境条件，如温度、湿度、化学成分、生物量、火山喷发、地磁场、海平面和太阳活动等，因此它们可看成是环境变化的“档案”材料。不同的档案材料有不同的环境信息量和时间分辨率。有目的地研究这些档案材料，可提取出过去环境变化的宝贵信息。为了解环境地球化学过程在时间上的变化，需要引进各种测年技术。环境地球化学研究常使用的有低本底放射性测年法,如碳-14法、铅-210法等。研究环境的化学组成或污染物在空间上的变化，常采用环境地球化学制图法，为此需按不同的密度进行网格取样，用电子计算机进行数据处理。天然和人为的同位素示踪方法，以了解环境地球化学过程进行的机理。室内实验模拟各种环境地球化学现象和过程及建立数学模型。七、学科联系由于要应用地球化学和生态学的原理和方法来研究环境问题，环境地球化学与地球化学和生态学关系密切。环境地球化学在研究内容上与生物地球化学有某些交叉，环境地球化学是从生物地球化学中发展起来的。从20世纪60年代末期正