第四纪地球化学介于第四纪地质学和地球化学之间的边缘研究领域。研究第四纪时期化学元素及其同位素在地壳中的分布与演化规律。侧重研究元素及其同位素在不同成因类型的第四纪沉积物中的分布、分配、迁移和富集的特征。第四纪地球化学是在20世纪50年代初期才开始发展起来的。

第四纪地球化学是在20世纪50年代初期才开始发展起来的，前苏联的Б．Б．波雷诺夫在研究风化壳的地球化学中，拟定了著名的元素迁移序列，初步揭示了各种陆相第四纪沉积物的地球化学特征。

20世纪60年代以后，C.埃米利亚尼和N.J.沙克尔顿等所作的深海岩心中有孔虫介壳的氧同位素比值(18O/16O)及其变化曲线，提供了至今所知最完整的全球性气候变化记录。

70年代，前苏联的В．К．卢卡舍夫发表《第四纪岩石成因地球化学》，阐明了第四纪各种不同成因类型沉积物的地球化学特征。

主要有以下几个方面：

①研究第四纪各种成因类型沉积物中化学元素及同位素的分布和分配的规律，阐明决定元素及同位素不同分布的原因和元素间的相互关系；

②查明第四纪各种成因类型沉积物中化学元素的差异，以阐明各种沉积物的成因；

③研究化学元素在不同地区(空间上)和不同发展阶段（时间上），不同地质作用条件下，运移、演化及集中、分散规律；

④研究第四纪各种成因类型沉积物中常量元素和微量元素的地球化学标志和特征比值；

⑤研究形成第四纪沉积物的地球化学介质条件（pH、Eh、有机胶体溶液和可溶盐等）及其对沉积环境的影响。

第四纪地层的划分主要依据沉积物的岩石性质及地质年龄。

第四纪沉积物分布极广，除岩石裸露的陡峻山坡外，全球几乎到处被第四纪沉积物覆盖。

第四纪沉积物形成较晚，大多未胶结，保存比较完整。第四纪沉积主要有冰川沉积、河流沉积、湖相沉积、风成沉积、洞穴沉积和海相沉积等。其次为冰水沉积、残积、坡积、洪积、生物沉积和火山沉积等

第四纪的构造运动属于新构造运动。在大洋底沿中央洋脊向两侧扩张。对太平洋板块移动速度测量表明，平均每年向西漂移最大达到11厘米，向东漂移 6.6厘米。

陆地上新的造山带是第四纪新构造运动最剧烈的地区，如阿尔卑斯山、喜马拉雅山等。地震和火山是新构造运动的表现形式。

地震集中发生在板块边界和活动断裂带上，如环太平洋地震带、加利福尼亚断裂带、中国郯庐断裂带等。火山主要分布在板块边界或板块内部的活动断裂带上。中国的五大连池、大同盆地、雷州半岛、海南、腾冲、台湾等地都有第四纪火山。

①黄土地球化学。黄土的平均化学成分十分接近大陆上部地壳的克拉克值，黄土的稀土元素模式与大陆地壳的类似。黄土中各类元素在区域上的变化都不大,中国黄土富含碳酸钙(CaCO3)，黄河中游各地马兰黄土及其粘粒组分的物质成分较均匀。此外，黄河中游各地马兰黄土中锌（Zn）、铜(Cu)、锰(Mn)、钴(Co)、镍(Ni)和钼(Mo)的含量自西北至东南逐渐增加，呈现明显的带状分布。黄土剖面中某些受气候制约的元素的含量或其比值的变化，具有明显的阶段性和周期性，这些周期段与M.M.米兰科维奇根据天文因素计算的周期和深海岩心中δ18O值的周期性一致。同时，黄土剖面中的铍-10(10Be)浓度的变化与δ18O之间也存在着极好的相关性。因此，从元素地球化学的角度证明，第四纪气候变迁是受天文因素控制的。

②海洋沉积地球化学。根据深海岩心18O/16O比值在垂向上的变化，奇数阶段为18O相对较少的温暖单元，偶数阶段是18O相对较多的寒冷单元。因而由深海沉积物氧同位素曲线可以认为,90万年以来至少有9个完整的冰川旋回。同时,深海岩心中CaCO3的沉积旋回与氧同位素曲线有良好的对应关系。 陆棚(如印度西部)的铝(Al)、锰(Mn)、镍(Ni)、铜(Cu)等元素浓度较高,与内陆棚的CaCO3含量低和细粒陆缘沉积物有联系,而在粗粒物质组成的CaCO3含量高的外陆棚地区，这些元素的浓度低。另外，泥质沉积物组成的陆棚和碳酸盐沉积物组成的陆棚氨基酸组分之间有明显区别，并且氨基酸总量随埋藏深度增加而递减。样品年龄越老，外消旋反应作用越强。中国大陆架沉积物中，若干元素表现出极好的相关性、亲碎屑性和亲陆性等，而且绝大多数元素的含量随粒度变细而升高。

③湖泊、河流沉积地球化学。湖相沉积物中微量元素的空间分布受沉积物类型和有机碳的强烈影响。在湖相沉积剖面中（如北美），碎屑二氧化硅、自生铁和锰向上减少；相反硅藻中自生二氧化硅、碳酸盐和氨基酸总量以及氯化物向上增加，这些都反映了晚冰期和冰后期的气候变化。此外,微量元素的富集系数大于1的层段多与温湿阶段相对应;而小于1的层段多与干凉阶段相对应。干旱半干旱地区的湖相沉积以盐类沉积物为主（如柴达木盆地察尔汗湖），根据碎屑沉积和盐类沉积物中的水溶盐、碳酸盐含量、石膏形态和粘土含量等综合分析，拟制了大约5万年以来的气候曲线。河流沉积物中微量元素的含量一般较低，主要呈分散状态存在，冲积层的化学成分继承了区域的前第四纪岩石的成分。不同时代的冲积层中，微量元素的浓度和比率能够作为地球化学标志再造古地理和进行地层对比。各河流的上、中、下游，稀土元素模式彼此类似，河流悬浮物中稀土元素平均含量比河流沉积物中的要高，但在稀土元素组成上没有发现明显差异，都以富含轻稀土为特征。

④风化壳的地球化学。根据残积风化物所经历的 4个时期，可分出下列各种风化壳：残积的风化壳，其中又分铝残积风化壳、硅铝残积风化壳和钙积风化壳；堆积的风化壳，其中又分硅铝堆积风化壳、碳酸盐堆积风化壳和氯化物- 硫酸盐堆积风化壳。中国的主要风化壳，根据其地球化学特征可归纳为硅铝- 铁质和铝质风化壳、硅铝- 粘土质风化壳、硅铝-碳酸盐风化壳、氯化物-硫酸盐风化壳、碎屑状风化壳5类（见风化作用）。高山地区风化壳，在高山气候垂直分带性的影响下，具有类型多和垂直分带性的特点。沿海热带、亚热带地区，气候温热有利于红壤型风化壳的发育，但不同基岩的红壤性风化壳的发育过程、地球化学特征也不相同。

⑤地球化学标志与第四纪沉积相和沉积环境。除常用某些元素对的比值和烃类化合物的成分作为海、陆和过渡相的划分标志外，微量元素和同位素成分也越来越多地被用作指相标志。其中较为成熟的是硼(B)、镓(Ga)、铷(Rb)、氟(F)、锶(Sr)、铬(Cr)、铜 (Cu)、镍(Ni)和钒(V)等，这些元素及其有关比值（如B/Ga、Sr/Ba、Rb/K）对区分海相与淡水陆相沉积物具有很大的意义。一般认为硼、镓、铷、钒是反映古盐度的灵敏指示剂。除直接用pH、Eh值外，还利用变价元素和某些有机化合物作为沉积环境氧化、还原性的地球化学标志。此外，在河口-海洋混合带,易还原相与半还原相的比值也可反映氧化、还原环境。利用沉积物中氧、碳同位素含量的变化，可以查明沉积介质的性质、温度和生态环境。

第四纪地球化学研究中，重要的是进一步探讨元素的特征比值和地球化学标志（包括生物标志化合物）所反映的气候环境，建立元素气候学。

配合矿物学和古生物学方面的标志，为拟制第四纪时期的综合气候曲线提供有力的依据，进而阐明第四纪时期的古气候和古地理环境，并为探讨全球气候环境变迁提供重要的背景材料。此外，将进一步探索和研究地层界线上元素铱异常和第四世纪时期灾变事件。

在深海沉积物氧的同位素地层学研究基础上，将加强陆相沉积物中氧、碳同位素和10Be等的分析研究，深入讨论元素分布在地层划分上的意义，使元素地层学的研究得到进一步充实和完善。