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生物地球化学勘查方法生物圈是一个特殊的圈，它包含在地壳、水圈和大气圈之中。凡是有生物存在的地方，都属于生物圈的范围。生物圈可以视植物、动物和微生物的总和，其上限不超过对流层，下限至大洋的底部，在地壳内可深达地下水准面下3～4 km 。生物地球化学是着重研究生物参与化学元素及其同位素在生物圈中的分布、迁移和富集的作用；也就是说，它是研究发生于生物圈内有生物参与的地球化学过程。生物地球化学勘查的服务领域主要有四：找矿、农业、医学和环境保护。
17.5.1 生物元素及其地球化学分类
生物圈具有高度不均一性，因此精确估计其平均化学成分是很困难的。维诺格拉夫（1954）在综合了6000种以上动物和植物的化学分析资料的基础上，计算了生物圈的平均化学组成。
化学元素的生物地球化学分类方案很多，章申（1996）对国内外元素的生物地球化学分类进行了总结。目前，根据化学元素在生物体内的丰度、化学性质以及它所具有的生物功能和生物反应，将自然出现的92种元素分为三大类：生物必需元素、生物非必需元素和有毒元素。其中生物必需元素也叫生命元素，共有25种，它们是C、H、O、N、S、P、Cl、Na、K、Ca、Si、Mg、V、Cr、Mn、Fe、Co、Cu、Zn、Se、Mo、F、B、I、Sn 。研究生物地球化学地方病、生物地球化学省、生物地球化学区划、地球化学生态学、医学地理和环境保护，主要考虑的是生命元素和有害元素。
生物地球化学省是地球上化学元素含量水平不同于邻近地区，并因而引起当地动植物区系的各种生物反应的范围。在极端情况下，由于某一种或某几种元素含量严重不足或过剩会产生地方病。目前已揭示Co、Cu、I、Mn、Mo、Ni、B、P、Se、F、Sr、Ca、P、As、Tl等三十多种元素不足、过剩，或比例失调会引起的生物地球化学地方病。生物地球化学省分为地带性和隐地带性两种类型。前者分布在一定的土壤气候地带内，是某些化学元素不足而产生的；隐地带性可以出现在任何地带内，是由于某些化学元素过剩而产生的，且往往与矿产分布有关。17.5.2 生物地球化学找矿
17.5.2.1 植物地球化学勘查
植物地球化学勘查主要通过植物学和生物地球化学的观察和测定来选择有效指示植物或指示植物群落，确定与矿床有关的高浓度元素对某些特定植物造成的毒性变态反应，并以其作为找矿的生物地球化学标志。
（1）指示植物
指示植物对一种或若干种微量元素有特别的嗜好，它们只能在能充分提供这些化学元素的地域内正常生长。目前，世界上已发现有近百种植物对17种化学元素有明显的指示作用。
指示植物可分为“通用性指示植物”和“地方性指示植物” 。前者在分布上只与一定的含矿岩石及其土壤有关，在其他条件下则不能生长。例如生长在富锌岩层上的锌堇菜，生长在含硒土壤中的黄芪以及对铜有明显指示作用的合氏罗勒和铜苔等，都是重要的通用性指示植物。这类植物的数量很少，分布范围也很有限，用起来比较困难。地方性指示植物的分布则比较广泛，但是只有在某些地区才能作为指示植物使用。表17-8列出了目前已确定的部分指示植物。
表17-8 若干指示植物及其应用地区
（2）指示植物群落
在一定地段的自然环境条件下，由一定的植物种类结合在一起，成为一个有规律的组合，称为“植物群落” 。指示植物群落则是由能够反映特定的矿床、岩层或岩石的若干指示植物种类的共生组合。例如，我国长江中下游地区和南方一些地区铜矿床的指示植物群落由海州香薷、蝇子草（Silone tortuneivis），石竹（Dianthhue chinesis L.），鸭跖草（Comolina communis L.），女蒌菜（Meland yumapricum Tarcy ， Rohrb），酸模（Rumex acetosa L.）等。四川铜矿的指示植物群落则由以荭草（Sedumrosei Hamet）为主，坚龙胆（Gentiana rigescens Franch）和狭叶南烛（Lyonia ovalifolia Drude var.Laneeolata Hand-Mazz）共生组成。在矿带上方土壤中生长的上述植物都含有较高的铜、银、锌或铅含量。
某些植物群落与矿体没有直接的关系，但它可以指示某些岩性或构造环境，因而可以作为间接的找矿标志。例如，我国南岭地区万山型汞矿层控于中寒武统白云岩的背斜构造中，而且竹子也易于在这些部位丛生，所以它能作为寻找这类矿床的间接标志。不同岩性（如基性、超基性岩、中酸性岩、石灰岩和砂、页岩等）和不同构造环境（如断裂、穹窿、盆地以及由此派生的地貌、水文现象）中植物群落的种类和分布的差别非常明显，以至于这些差别早已成为航空地质判读的重要依据之一。
另一些指示植物群落则与矿床的伴生元素有关，但并不反映主矿化元素。例如美国西部科罗拉多高原上的沉积钾钡铀矿床中一般伴生有硒，找矿时主要利用含硒的指示植物，它们大都为黄芪氏属，其灰分中硒含量高达4.6% 。表中的普鲁士黄芪和派特逊氏黄芪实际上都是硒的指示植物，在科罗拉多高原上用它们以寻找铀矿最为适宜。例如，在犹他州某区一百个分布点上，就有81处相应见到埋深9m的矿石。
（3）植物对化学元素的毒性反应
观察确定植物的毒性反应是植物地球化学勘查中另一种常用的找矿手段。找矿中，应经常注意植物由于过量金属中毒而使叶子颜色呈反常的现象。在植物代谢过程中，高浓度的Ni、Cu、Co、Cr、Zn和Mn等元素都能使叶绿素的形成受到阻碍，结果使植物的叶子退色而产生色症。表17-9列出了一些植物对过量金属呈毒性反应的常见现象。
表17-9 过量金属对植物可能产生的毒性影响
在有些情况下，正常植被的缺乏可作为矿化的标志。硫化物矿床氧化带形成的酸性环境和过量的可溶性金属可以阻止正常植被的发育。例如在赞比亚，有些大的矿床最初是由于地表没有树木而被发现的。
在实际工作中，必须区别由其他因素造成的植物发育异常，如病虫害、排水不良以及土壤过酸等也可以引起植物萎黄病。因此，植物地球化学勘查的成效如何，在很大程度上取决于地质工作者是否具备一定的植物学知识，是否能在野外识别一些由过量金属引起的一些重要反应特征——如萎黄病叶、发育不完全、矮小症或畸形果实等等。为了能够识别野外所遇的植物群落，指出气候与土壤等其他因素对植物区系发育的影响，发现植物地球化学异常和异常评价，与植物工作者的密切配合是十分必要的。
17.5.2.2 生物地球化学遥感
生物地球化学遥感是应用遥感技术来了解植物的种类、分布和发育情况，并以此解释和分析化学元素在植物、植被及其下伏土壤和基岩中的分布情况，以达到寻找矿化异常和圈定矿化远景区的找矿手段。
不同类型的岩石常具有不同地貌特征和不同的上覆土壤，并由此而发育有不同的植物种类和群落。这些植物在不同光谱波段的航空影像上具有特定的结构、灰阶和其他光谱特征。这些对于判读岩类、地层产状和构造等与成矿有关的地质要素均具有实际的指示意义。矿区特有的植物群落或植物区系及其生长状况可以作为一种确定隐伏矿体的植物地球化学标志。这种由地球化学异常造成的植物地球化学特征，有时在航空照片上，特别是在红外假彩色图像或多光谱图像上反映特别明显。此外，地下水的分布对植物的种类分布和生长状况也有重要影响，而地下水的分布又与地质构造和岩性密切相关。实际上，生物地球化学遥感属于一种宏观的植物地球化学勘查方法。这种方法在那些植被密集、通行困难和工作程度较低的大区域中，应用于矿产或地下水勘查，往往能得到较好的效果。在这种条件下，与其他方法相比，具有快速和经济的优点。
生物地球化学遥感以植物反射出来的电磁波光谱为信息来源。当光线射到叶片上时，发生光的吸收、透射和反射。叶绿素色素的含量是控制叶片的可见光光谱段电磁波发射特征的主要因素。叶绿素对0.45 μm（绿色）附近有一反射峰值。因此，植物大都显绿色。另外，在0.7～1.3 μm和0.5～0.9 μm的近红外范围内，植物也有相当大的反射率。吸收光的物质除叶绿素之外，主要还有水。特别是在1.4 μm和1.9 μm处，有两个水的强吸收带。所以，对于绿叶植物来说，植物中叶绿素和水的含量基本控制了植物对可见光—近红外光光谱段电磁波的反射特征。基于以上原理可知，位于叶绿素吸收带内的光谱发射率与植物的叶绿素含量或叶绿素密度呈反消长关系；植物对1.7 μm到1.3 μm附近的电磁波几乎是不吸收的，其反射率的大小与植物组织的形状、尺寸和细胞之间的空间存在程度有关。因而根据植物的分光性测定的结果，有可能分辨植物的种类、分布和发育情况。
植物地球化学的遥感判读要求达到地面3 m的分辨率。因此，生物地球化学遥感勘查主要通过航空遥感进行。
17.5.2.3 生物地球化学勘查工作方法
（1）准备工作
【拉萨名胜古迹旅游景点拉萨旅游著名景点】除了一般勘查地球化学工作的地质准备工作之外，还应着重了解工作地区的自然景观的特点，熟悉工作地区的植（动）物分类、分布及其生态学特点。在研究已有资料的基础上，分析这些条件对有关勘查矿床中元素迁移和分布可能产生的影响，可能出现的植物种属及其生长规律和异常标志，并初步确定野外试验性研究的地点、季节、取样范围和有关研究项目。
在野外装备的准备中，除了一般地质测量和常规化探的用具外，还应配备植物样品的采集、干燥、包装等必需的用具，如植物夹、吸水纸、枝剪、托盘（供清洗和晾晒植物样品用）和样袋等。
（2）野外试验性研究
野外工作的开始阶段，在有关生物地球化学和植物地球化学资料缺乏的情况下，必须进行方法的试验性研究，以确定生物矿化标志和指示元素，为正式采样制定统一的取样对象及其数量、方法和网度的标准。试验性研究的主要目的还在于了解和把握各种干扰因素的来源及其影响程度，选择有效的“标志生物” 。标志生物可以是生物整体或其器官，也可以是某个生物群，如植物或细胞群落。作为标志生物必须具备三个条件：①它在工作地区普遍发育，易于观察，便于采集植被样品；②它对矿致地球化学异常有明显的反映；③它所反映的地球化学异常受非矿因素影响较小。
试验性研究应选择在工作地区中1～2条有代表性的剖面上进行。剖面应尽量通过区内已知矿点（或矿体），以便获得植物中元素含量、组合与矿化（品位、组合、埋深和位置等要素）之间关系的信息。同时还应进行面上的踏勘采样，其目的是弥补试验性研究剖面的局限性，全面了解整个工作地区的情况。为此，取样点应布置在一些剖面所不能反映的具有独特而典型的植被、地貌、水文和其他景观条件的位置上。如果工作地区内无已知矿点，还应在邻近可对比地区的有关矿点或矿床上进行采样，以得到真正反映矿化的生物地球化学异常构成的特征资料而应用于新区。
在试验性研究中，还可以同时采集土壤、岩石和地下水露头的样品，以了解植物体内及其根系环境中元素含量的关系。在一个新的工作地区，生物地球化学勘查的试验性研究可以和其他化探方法的试验研究同时进行。
（3）植物地球化学填图
植物地球化学填图是一种以小块面积的统计区为单位进行的大比例尺统计性植物填图。一个统计区应包括一个植物群落的大多数植物。统计区的大小则视植物群落的均匀性而定。植物分布变化越大，统计区应越小，反之亦然。显然，统计区越大，获得的信息越少。通常所用的方法是从一块5 m2的小地块开始，观察确定其中植物种属，并按一定的比例（10 ， 50 ， 100 m2…）逐渐扩大范围。每次扩大观察面积时都要注意其中种属的变化。当发现种属在某处迅速增加或减少时，该处则为统计区的最佳界限。各统计区确定后，再统计各种属的密度或间距（密度的倒数）。统计可用直接计数或按目估分级。例如可分成：①很稀少；②稀少；③常见；④密集；⑤很密集五个级别。在损失一定精度的前提下，目估分级能大大加快填图的进度。目估时应尽量避免由于不同人的统计、不同季节时的统计所造成的误差。
在勘查狭长状的矿体时，植物地球化学填图可以只在通过测区的若干条平行的测线或带上进行。在测线上可用皮尺和罗盘划分和统计植物的种属和密度变化。带状植物地球化学填图则同样通过划分和统计一系列排列成带的统计区来完成。
与找矿有关的植物地球化学填图还可以包括以下项目的测定。
a.覆盖度。整个植株在地表上的垂直投影面积，覆盖度通常以该投影面积所占统计面积的百分数表示。由于不同层次植株的重叠，该值常超过100% 。
b.层次。它是群落的结构特征之一，是不同高度的植物形成群落的地上成层现象，其根系则形成地下层次。例如，森林群落一般有乔木层、灌木层、草本层和地层四个层次。草原地区常见的地下层次则由一年生植物的根、鳞茎和块茎等构成的浅层，由禾本科植物的须根构成的中层和由双子叶植物的直根系构成的深层三个层次。群落的地上和地下分层是对应的。例如上述乔木层的根系可达土壤最底层，灌木的根系较浅，而草本和地被植物的根系则大多在表层。因此，植物群落的层次对于评价生物地球化学异常的地下立体结构具有一定的意义。
此外，在工作时还应观察记录植物种属的生长发育情况和是否有畸变或病害等现象。将上述各方面结果分析用不同的符号和颜色成图后，能全面地反映测区内各种植物的组合和分布特征。通过对植物图和地质图以及其他化探图件的分析对比，有助于揭示植物及其生长状况与地质体之间的关系，选择出有效的指示植物。在对植物图进行分析评价时，必须同时考虑到坡度、排水、光照、高度和地形起伏等条件对植物分布的影响。
生物地球化学作用的演化地球上最古老生命的记录——球状和棒状的单细胞细菌化石，发现于南非巴布顿地区和澳大利亚西部的燧石层，经同位素年龄测定，两者分别形成于3.8 Ga 和3.5 Ga前，均为海底热液喷发成因的SiO2胶体沉积形成的岩石（Awramik et al. ， 1983）。这些发现表明，至少在太古宙早期生命已在地球上出现，并且这些原始细菌十分类似现今活动于洋底热液喷口附近缺氧环境中的原始细菌（Brock ， 1980）。此后在漫长的地质年代中，生命通过厌氧异养原核生物阶段→厌氧自养原核生物阶段→真核海洋生物阶段→真核生物登陆→人类出现的进化，形成了丰富多彩的生物圈大千世界。随着生物的进化，生物赖以与环境进行物质和能量交换的新陈代谢机制——生物地球化学作用，也在不断地随时间发生演化。生物圈的发展不断地改变着地球的环境，而地球环境的变化又影响着生物的进化。
9.4.2.1 早期的光合作用
光合作用的演化是生物对地球最重要的影响之一。在2 Ga 前的早前寒武纪，大气圈曾是缺氧的，生命进化处于厌氧异养原核生物阶段及随后的厌氧自养原核生物阶段。研究发现这一时期中可能存在以下几种光合作用。
（1）产生甲烷的光合作用。最原始的光合作用可能是原始细菌分解简单有机分子（诸如，醋酸盐）从而产生出甲烷（CH4）的新陈代谢过程。这些简单有机分子由非生物方式形成，并存在于当时的洋中。此种光合作用可表示为：
地球化学
利用这种新陈代谢方式的生物曾是非生物合成产物的清除剂，属于专性异养生物，可归类于化学异样生物。此种微生物十分类似现代甲烷菌目中的发酵细菌。在这种产生甲烷的新陈代谢之后，早期异养微生物中可能曾出现借助还原CO2产生甲烷的光合作用：
地球化学
一般反应分两步进行：真菌将有机物质转变为醋酸盐、H2和CO2 ，然后原始细菌再将它们转化为甲烷（Wolin and Miller ， 1987）。
（2）使硫氧化的光合作用。在缺氧条件下能进行光合作用的原始细菌，可能与现今紫硫细菌和绿硫细菌很相像，不能在有氧的条件中发生光合作用，但能在缺氧条件下使还原态 H2S和 S氧化以形成 S0 和，这种新陈代谢可分别表示如下：
地球化学
地球化学
光合作用中产生的有机物质以（CH2O）表示。
不像蓝细菌、较高级的藻类和植物等所进行的光合作用，在此类光合作用中没有氧的参与，因此这个过程归属于无氧光合作用。已在3.5 Ga 前形成的沉积岩层中发现了硫酸盐矿物，这为那时存在这种光合作用提供了最好的证据（Welter ， et al. ， 1980）。虽然水的光分解反应曾经产生少量的氧致使还原态硫化物氧化形成硫酸盐，但是地球早期的部分或大部分硫酸盐很可能由这种缺氧的光合作用所产生（Butcher ， et al. ， 1992）。
9.4.2.2 产生氧的光合作用
由硫细菌进行的光合作用及由蓝细菌进行的产氧光合作用均已被发现曾存在于古海洋中（Schopf ， 1993）。两种形式光合作用均能产生出有机碳，其中13C丰度（δ13 C=-28‰）相对于溶解态重碳酸盐中的13 C丰度（δ13 C≈0‰）要贫得多，并且没有其他已知过程能在碳的稳定同位素之间产生如此强烈的分馏（Schidlowski ， 1988）。具有如此贫的13 C 的有机物化石近年已在年龄古达3.8 Ga 的岩石中发现（Mojzsis ， 1996）。然而，仅对产氧光合作用而言，其证据最早只见于大约3.5 Ga前形成的变质岩中，在此变质岩中条带状Fe2O3沉积被发现于燧石层中。虽然不能排除其他生物作用形成 Fe2O3沉积的可能，但是太古宙和古元古代全球性条带状铁建造的大量沉积一般均被视为是存在产氧光合作用的证据。
蓝细菌能够用水代替硫化氢进行光合作用而产生出氧：
地球化学
这样的新陈代谢过程称为产氧（含氧）光合作用，以示与无氧光合作用的区别。所有蓝细菌、藻类和较高等的植物均能进行这类光合作用。
产氧光合作用除去呼吸和分解作用消耗后剩余的那部分氧才是组成地球大气圈的氧。上述已经指出产氧光合作用在地质记录中出现的时间远早于2.0 Ga 前，因为大量条带状铁建造的沉积已归因于洋水中Fe2+被O2所氧化。形成条带状铁建造所需要的O2是巨量的，它只能以能进行光合作用的生物所产生的氧来解释。前寒武纪惟一能进行这种光合作用的生物是蓝细菌，而且像蓝细菌的化石也广泛出现于这个时代的地质建造中。大约在2.0 Ga前出现的红层具有更氧化的铁，这表明它们只能形成于较条带状铁建造沉积时期更多氧的环境中。大气圈的氧含量看来是在几百万年的期间缓慢增长的，作为产氧光合作用的结果，地球大气圈曾在2.0 Ga至0.5 Ga期间发生了由缺氧过渡为氧含量达21%的转变。
9.4.2.3 氧对生命演化的效应
大多数复杂生物需要氧才能生长，因此，这些生物的演化在地球上出现自由氧（2.0 Ga）之前发生是不可以想象的。当自由氧开始在地球上积累时，初始出现的氧对于那时存在的所有生物来说均是有毒的，正如现今O2能杀死大多数生活于缺氧环境中的生物那样。这可能是生物学上的首次的污染事件，它造成了绝大部分厌氧微生物的灭绝，仅留下极少量的此类生物生活于现代局部缺氧的环境中。然而，自由O2的出现也改变了地球上生命的面貌，使真核生物逐渐发展起来。
真核生物的新陈代谢在大气圈O2达到现今水平的1%时就能够进行（Chapman and Schopf ， 1983）。真核生物的化石已发现于1.7 Ga至1.9Ga前形成的岩石中（Knoll ， 1992）。环境中的O2能使真核生物将它们的异养呼吸局限于线粒体中，这提供了一种有效的新陈代谢机制，并促进较高级生命形式的快速增殖。同时，真核植物细胞中的叶绿体能够进行更有效的光合作用，从而提高O2产量，使O2在大气圈中进一步聚集起来。
总之，细菌和蓝细菌曾统治了自生命出现以来的约四分之三的时间，而丰富多彩、种类繁杂的高级生命形式则主要出现和演化于以后的600 Ma期间。一般认为寒武纪的生物爆发与氧的产生和积累密切相关。
9.4.2.4 生物登陆后的地球化学作用
大气圈平流层中O2遭受光化学分解反应，导致了臭氧层屏障的出现，这为生物登陆创造了必要条件。虽然有某些化石证据说明在前寒武纪曾有广泛的微生物群落出现于陆地（Horodyski and Knauth ， 1994），但是在臭氧屏障出现之前较高级生物大量移居大陆的可能性甚微。多细胞生物曾在680 Ma前形成的海洋沉积物中被发现，但植物登陆看来发生在志留纪之后（Gensel and Andrews ， 1987）。植物登陆后不久就发展出了木质化的木质组织（Lowry et al. ， 1980），并与菌根真菌有效共生，这使植物能从土壤的磷贮存中获取非活动性的磷（Pirozynski and Molloch ， 1975；Simon et al. ， 1993）。
几种新的对于全球生物地球化学循环具有关键作用的新陈代谢方式，也在氧的促进下发展起来。其中主要的有：
（1）影响硫地球化学循环的有氧化学自养作用。这种作用由各种硫杆菌以硫或H2S为基础来完成（Ralph ， 1979）：
地球化学
反应中产生的氢离子与将CO2固定于有机物质中产生能量的反应相耦合。在原始地球上这些微生物能够利用来自缺氧光合作用产生的元素硫（S0），而现今它们只出现于存在元素硫和H2S的局部地方，包括深海某些热液出口附近。
（2）影响氮地球化学循环的有氧化学自养作用。由亚硝基化毛细菌和硝化细菌完成的氮转化反应也很重要：
地球化学
这些反应构成氮的硝化作用，释放的能量将与这些化学自养细菌进行的固定碳的作用相耦合。这些反应产生的硝酸盐在水中是易溶解的，所以它是河流供给海洋无机氮的主要形式。
（3）影响氮地球化学循环的缺氧异养作用。现今生存于土壤和湿的沉积物中的Pseudomonas属细菌能够进行缺氧异养的脱硝反应（Knowles ， 1982）：
地球化学
虽然脱硝反应需要无氧环境，但是脱硝细菌只是在功能上是厌氧的。有几方面的证据表明，脱硝作用的出现可能晚于产甲烷的和硫酸盐还原的严格厌氧新陈代谢过程（Betlach ， 1982）。大多数脱硝细菌，如Pseudomonas ，都属于较原始细菌更进化的真菌类。再者，脱硝作用只能在海洋中浓度达到较高的水平之后才能有效地进行，而早期海洋水可能只含很低的（Kasting and Walker ， 1981），因此，脱硝作用过程应直到环境中存在足够的氧能驱动氮的硝化反应之后才能出现。
（4）大陆吸附地球化学障的出现。生物登陆逐渐改变着大陆地表岩石裸露的地貌，使之不断为土壤植被所覆盖，从而构成了大陆表面的吸附地球化学障。此后，大陆岩石风化释放出的大量可溶性元素，尤其微量元素就被土壤中有机质和粘土矿物所吸附而存留在土壤内，这必然减少了它们通过河流向海洋的输入量，这也可能是早古生代黑色页岩较后来的同类岩石明显富金属元素的主要原因之一。虽然当时海底热液来源的金属元素输入不应被排除，但迄今尚无在早古生代海底热液活动较以后明显强烈的确切证据。
生物地球化学循环的简介环境中各种元素沿着特定的路线运动，由周围环境进入生物体，最后回到环境中，各种元素运动路线所包含着的活有机体的有机阶段和由各元素基本化学性质所决定的、无生命的阶段所组成的循环运动过程，称为生物地球化学循环。
生物地球化学循环又称生物地球化学旋回。在地球表层生物圈中，生物有机体经由生命活动，从其生存环境的介质中吸取元素及其化合物(常称矿物质) ，通过生物化学作用转化为生命物质，同时排泄部分物质返回环境，并在其死亡之后又被分解成为元素或化合物(亦称矿物质)返回环境介质中。这一个循环往复的过程，称为生物地球化学循环。生物地球化学循环还包括从一种生物体(初级生产者)到另一种生物体(消耗者)的转移或食物链的传递及效应。

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