【地球科普】气体地球化学——了解地球演化历史的窗口

气体地球化学是研究地球大气中各种气体的来源、分布和变化的学科。地球大气是由氮气、氧气、水蒸气、二氧化碳、氖、氩、甲烷等多种气体组成的复杂系统，这些气体的组成和分布直接影响着地球的生态环境和气候变化。在大气中，氧气占据了最大的比例，它是维持生命的必要气体之一。而二氧化碳则是温室气体之一，它可以吸收地球表面的热量，防止热量逃逸到空间中。过量的二氧化碳会导致全球变暖和气候变化。因此，了解大气中不同气体的含量、来源和分布情况，对于预测气候变化、评估环境污染和保护生态环境都具有重要的意义。甲烷是一种重要的温室气体，它比二氧化碳更加强大。甲烷的主要来源是湿地、动物排泄物和人类活动（如化石燃料开采和农业）。研究甲烷的分布和来源，可以帮助我们更好地了解全球气候变化的趋势和原因，并且找到减少甲烷排放的途径。气体地球化学的研究还可以帮助我们了解地球的演化历史。例如，科学家通过对地球大气中古老气体的分析，可以了解地球上生命起源的时间和方式，以及地球大气中的气体在地球演化历程中的变化趋势。这些研究可以深入探讨地球的生命演化史和地球系统演化史。气体地球化学（Gas Geochemistry）是地球化学的一个分支，它研究地球内外各种气体的成分、来源、分布、循环等方面的问题。气体地球化学涉及到地球的大气、地下水、地下油气、火山岩浆和大洋岩石等领域，它是理解地球物质循环和研究资源勘探、环境污染和气候变化等方面的重要基础。

图1. 地球二氧化碳循环（大英百科全书）

1.气体地球化学发展历史

气体地球化学的起源可以追溯到19世纪中叶，当时研究人员开始探测地下水中的气体。20世纪初，随着石油工业的发展，人们开始对油气藏中的气体进行研究。20世纪中叶，火山学和地球化学的研究使得气体地球化学得以快速发展。现代气体地球化学主要依靠先进的仪器设备和技术手段，如气相色谱、质谱、同位素分析等，来研究各种气体的成分和来源。初步认识阶段（20世纪20年代 - 50年代）：在这个时期，人们对大气中的二氧化碳、甲烷、一氧化碳、氢气等气体的认识逐渐深入。同时，人们开始意识到大气中气体的来源和演化是非常重要的问题。现代化发展阶段（20世纪60年代 - 90年代）：在这个时期，人们开始运用先进的仪器和技术对大气中的气体进行研究，比如气相色谱仪、质谱仪等。同时，人们对大气中气体的来源和演化的认识也得到了进一步深化。当代发展阶段（21世纪以来）：在这个阶段，随着环境问题的日益突出，人们对大气中气体的研究越来越重视。气体地球化学逐渐与其他学科交叉融合，比如气候学、地球化学、生态学等。同时，新技术和新方法的出现也为气体地球化学的研究提供了更多的手段和途径。

2.气体地球化学研究对象

大气气体：大气中的氧气、氮气、二氧化碳等气体的来源和分布，以及人类活动对大气气体组成和环境的影响。地下水和地下油气中的气体：地下水和地下油气中的氧气、氮气、甲烷、二氧化碳等气体的来源和循环。火山气体：火山气体包括水蒸汽、二氧化碳、二氧化硫、氢气、甲烷等气体，它们对火山活动的监测和预测、火山岩浆成因的研究以及对环境的影响等方面都有重要意义。岩石中的气体：岩石中包含的氦、氢、氩、氧、二氧化碳等气体，它们对大洋板块的形成和演化、地球内部的物质循环等方面具有重要意义。

图2. 大气的主要成分（网络资料）

3.气体地球化学研究方法

野外调查：通过野外调查和取样，获取地下水、地下油气、火山气体和大洋岩石等不同来源的气体样品，对它们的成分和分布等进行分析。仪器分析：利用气相色谱、质谱、同位素分析等现代分析技术，对气体样品进行定量和定性分析，从而了解气体的成分和来源等信息。数学模型：通过建立数学模型，模拟不同气体在地球系统中的分布和循环过程，预测气体在不同环境条件下的行为和变化趋势。

图3.用于气体成分分析的MAT 271大型气体磁质谱(中科院西北生态环境资源研究院油气资源研究中心网站）

4.气体地球化学应用领域：

气体地球化学的研究成果在以下几个领域得到了广泛应用：资源勘探：利用气体地球化学的技术手段，对油气藏的勘探和开发进行了有效支持。气体地球化学可以通过分析油气中的气体成分和同位素组成，确定油气的类型、成因和储集条件等信息，为勘探和开发提供重要依据。环境污染：气体地球化学可以通过分析大气中的气体成分和来源，掌握大气污染的特点和影响因素。此外，气体地球化学还可以通过分析地下水和地下油气中的气体成分，确定地下水和地下油气污染的类型和来源，为环境保护提供技术支持。气候变化：气体地球化学可以通过分析大气中的二氧化碳、甲烷等温室气体的浓度和来源，掌握大气温室效应的特点和影响因素。此外，气体地球化学还可以通过研究火山气体和大洋岩石中的气体成分，了解地球内部的物质循环和碳循环过程，为气候变化研究提供重要依据。

图4. 通过检测二氧化碳、二氧化硫、氢气、甲烷、稀有气体等气体，可对构造活动进行监测和预测（网络图片）

总结

气体地球化学是地球化学的一个分支，它研究地球内外各种气体的成分、来源、分布、循环等方面的问题。气体地球化学依靠现代仪器设备和技术手段，如气相色谱、质谱、同位素分析等，对大气、地下水、地下油气、火山岩浆和大洋岩石等领域的气体进行研究，为理解地球物质循环和气候变化等方面提供了重要的科学支持。气体地球化学在资源勘探、环境污染、气候变化等领域有着广泛的应用，为相关领域的科学研究和工程应用提供了重要的技术支持。 需要指出的是，气体地球化学是一个多学科交叉的领域，需要涉及地质学、化学、物理学、数学等多个学科知识。同时，气体地球化学研究需要依靠先进的仪器设备和技术手段，对分析人员的素质和技术能力也提出了很高的要求。因此，气体地球化学的研究需要集合多方面的力量，需要有团队合作和高水平的专业人才支撑。总之，气体地球化学是一门关于地球大气中气体组成、来源、分布和变化的重要学科，对于认识地球生态环境和气候变化趋势、评估环境污染和保护生态环境都具有重要意义。

（作者简介：李中平，博士，中国科学院西北生态环境资源研究院油气资源研究中心研究员，博士生导师，中国矿物岩石地球化学学会气体地球化学专业委员会秘书长，中国地质学会同位素地质专业委员会委员。感兴趣的领域：气体地球化学、同位素地球化学、分析地球化学等；联系方式：Email：lizhongping@lzb.ac.cn）