地球化學(xué)

地球化學(xué)是研究地球的化學(xué)組成、化學(xué)作用和化學(xué)演化的科學(xué)，它是地質(zhì)學(xué)與化學(xué)、物理學(xué)相結(jié)合而產(chǎn)生和發(fā)展起來的邊緣學(xué)科。自20世紀(jì)70年代中期以來，地球化學(xué)和地質(zhì)學(xué)、地球物理學(xué)已成為固體地球科學(xué)的 三大支柱。它的研究范圍也從地球擴(kuò)展到月球和太陽系的其他天體。

　　地球化學(xué)的理論和方法，對礦產(chǎn)的尋找、評價(jià)和開發(fā)，農(nóng)業(yè)發(fā)展和環(huán)境科學(xué)等有重要意義。地球科學(xué)基礎(chǔ)理論的一些重大研究成果，如界限事件、洋底擴(kuò)張、巖石圈演化等均與地球化學(xué)的研究有關(guān)。

地球化學(xué)發(fā)展簡史

　　從19世紀(jì)開始，一些工業(yè)國家逐漸開展系統(tǒng)的地質(zhì)調(diào)查和填圖、礦產(chǎn)資源的尋找及開發(fā)利用促進(jìn)了地球化學(xué)的萌芽。1838年，德國舍恩拜因首先提出“地球化學(xué)”這個(gè)名詞。19世紀(jì)中葉以后，分析化學(xué)中的重量分析、容量分析逐漸完善；化學(xué)元素周期律的發(fā)現(xiàn)以及原子結(jié)構(gòu)理論的重大突破，為地球化學(xué)的形成奠定了基礎(chǔ)。

　　1908年，美國克拉克發(fā)表《地球化學(xué)資料》一書。在這部著作中，克拉克廣泛地匯集和計(jì)算了地殼及其各部分的化學(xué)組成，明確提出地球化學(xué)應(yīng)研究地球的化學(xué)作用和化學(xué)演化，為地球化學(xué)的發(fā)展指出了方向。挪威戈?duì)柕率┟芴卦凇对�素的地球化學(xué)分布規(guī)則》中指出化學(xué)元素在地球上的分布，不僅與其原子的物理化學(xué)性質(zhì)有關(guān)，而且還與它在 晶格中的行為特性有關(guān)。這使地球化學(xué)從主要研究地殼的化學(xué)紐成轉(zhuǎn)向探討化學(xué)元素在地球中分布的控制規(guī)律。

　　1922年費(fèi)爾斯曼發(fā)表《俄羅斯地球化學(xué)》一書，系統(tǒng)論述了各地區(qū)的地球化學(xué)，是第一部區(qū)域地球化學(xué)基礎(chǔ)著作。1924年維爾納茨基發(fā)表了《地球化學(xué)概論》一書，首次為地球化學(xué)提出了研究原子歷史的任務(wù)，最先注意到生物對于地殼、生物圈中化學(xué)元素遷移、富集和分散的巨大作用。1927年他組織和領(lǐng)導(dǎo)了世界上第一個(gè)地球化學(xué)研究機(jī)構(gòu)——生物地球化學(xué)實(shí)驗(yàn)室。

　　與此同時(shí)，放射性衰變規(guī)律的認(rèn)識、同位素的發(fā)現(xiàn)、質(zhì)譜儀的發(fā)明與改進(jìn)，導(dǎo)致了同位素地球化學(xué)，特別是同位素地質(zhì)年代學(xué)的開拓。1907年美國化學(xué)家博爾特伍德發(fā)表了第一批化學(xué)鈾-鉛法年齡數(shù)據(jù)。30～40年代鈾-釷-鉛法、鉀-氬法、 鉀-鍶法、普通鉛法、碳-14法等逐步發(fā)展完善，使同位素地質(zhì)年代學(xué)初具規(guī)模。

　　20世紀(jì)50年代以后，地球化學(xué)除了繼續(xù)把礦產(chǎn)資源作為重要研究對象以外，還開辟了環(huán)境保護(hù)、地震預(yù)報(bào)、海洋開發(fā)、農(nóng)業(yè)開發(fā)、生命起源、地球深部和球外空間等領(lǐng)域的研究。地球化學(xué)分析手段飛速發(fā)展，廣泛應(yīng)用超微量、高靈敏度的分析測試技術(shù)和儀器，配合電子計(jì)算機(jī)的使用，不僅可獲得大量高精度的分析數(shù)據(jù)，而且可以直接揭示樣品中難于觀測的元素及其同位素組成的細(xì)微變化和超微結(jié)構(gòu)。

　　在這個(gè)時(shí)期，中國在元素地球化學(xué)、同位素地質(zhì)年代學(xué)方面也取得了一批重要成果，如1961年李璞等發(fā)表了中國第一批同位素年齡數(shù)據(jù)；1962年黎彤等發(fā)表了中國各種巖漿巖平均化學(xué)成分資料；1963年中國科學(xué)院完成了中國鋰鈹鈮鉭稀土元素地球化學(xué)總結(jié)，提出了這些礦種的重要礦床類型和分布規(guī)律。

地球化學(xué)的基本內(nèi)容

　　地球化學(xué)主要研究地球和地質(zhì)體中元素及其同位素的組成，定量地測定元素及其同位素在地球各個(gè)部分(如水圈、氣圈、生物圈、巖石圈)和地質(zhì)體中的分布；研究地球表面和內(nèi)部及某些天體中進(jìn)行的化學(xué)作用，揭示元素及其同位素的遷移、富集和分散規(guī)律；研究地球乃至天體的化學(xué)演化，即研究地球各個(gè)部分，如大氣圈、水圈、地殼、地幔、地核中和各種巖類以及各種地質(zhì)體中化學(xué)元素的平衡、旋回，在時(shí)間和空間上的變化規(guī)律。

　　基于研究對象和手段不同，地球化學(xué)形成了一些分支學(xué)科。

　　元素地球化學(xué)是從巖石等天然樣品中化學(xué)元素含量與組合出發(fā)，研究各個(gè)元素在地球各部分以及宇宙天體中的分布、遷移與演化。在礦產(chǎn)資源研究中，元素地球化學(xué)發(fā)揮了重要作用，微量元素地球化學(xué)研究提供了成巖、成礦作用的地球化學(xué)指示劑，并為成巖、成礦作用的定量模型奠定了基礎(chǔ)。

　　同位素地球化學(xué)是根據(jù)自然界的核衰變、裂變及其他核反應(yīng)過程所引起的同位素變異，以及物理、化學(xué)和生物過程引起的同位素分餾，研究天體、地球以及各種地質(zhì)體的形成時(shí)間、物質(zhì)來源與演化歷史。同位素地質(zhì)年代學(xué)已建立了一整套同位素年齡測定方法，為地球與天體的演化提供了重要的時(shí)間座標(biāo)。

　　比如已經(jīng)測得太陽系各行星形成的年齡為45～46億年，太陽系元素的年齡為50～58億年等等。另外在礦產(chǎn)資源研究中，同位素地球化學(xué)可以提供成巖、成礦作用的多方面信息，為探索某些地質(zhì)體和礦床的形成機(jī)制和物質(zhì)來源提供依據(jù)。

　　有機(jī)地球化學(xué)是研究自然界產(chǎn)出的有機(jī)質(zhì)的組成、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)、空間分布、在地球歷史中的演化規(guī)律以及它們參與地質(zhì)作用對元素分散富集的影響。生命起源的研究就是有機(jī)地球化學(xué)的重要內(nèi)容之一。有機(jī)地球化學(xué)建立的一套生油指標(biāo)，為油氣的尋找和評價(jià)提供了重要手段。

　　天體化學(xué)是研究元素和核素的起源，元素的宇宙豐度，宇宙物質(zhì)的元素組成和同位親組成及其變異，天體形成的物理化學(xué)條件及在空間、時(shí)間的分布、變化規(guī)律。

　　環(huán)境地球化學(xué)是研究人類生存環(huán)境的化學(xué)組成化學(xué)作用、化學(xué)演化及其與人類的相互關(guān)系，以及人類活動對環(huán)境狀態(tài)的影響及相應(yīng)對策。環(huán)境地球化學(xué)揭示了某些疾病的地區(qū)性分布特征及其與環(huán)境要素間的關(guān)系。

　　礦床地球化學(xué)是研究礦床的化學(xué)組成、化學(xué)作用和化學(xué)演化。著重探討成礦的時(shí)間、物理化學(xué)條件、礦質(zhì)來源和機(jī)理等問題。它綜合元素地球化學(xué)、同位素地球化學(xué)、勘查地球化學(xué)和實(shí)驗(yàn)地球化學(xué)等分支學(xué)科的研究方法和成果，為礦產(chǎn)的尋找、評價(jià)、開發(fā)利用服務(wù)。

　　區(qū)域地球化學(xué)是研究一定地區(qū)某些地質(zhì)體和圈層的化學(xué)組成、化學(xué)作用和化學(xué)演化，以及元素、同位素的循環(huán)、再分配、富集和分散的規(guī)律。它為解決區(qū)域各類基礎(chǔ)地質(zhì)問題、區(qū)域成礦規(guī)律和找礦問題以及區(qū)域地球化學(xué)分區(qū)與環(huán)境評價(jià)等服務(wù)。區(qū)域地球化學(xué)揭示的元素在空間分布的不均勻性，為劃分元素地球化學(xué)區(qū)和成礦遠(yuǎn)景區(qū)提供了依據(jù)。

　　勘查地球化學(xué)是通過對成礦元素和相關(guān)元素在不同地質(zhì)體及區(qū)帶的含量和分布研究，找出異常地段，以便縮小和確定找礦及勘探對象。除直接為礦產(chǎn)資源服務(wù)外，它也是環(huán)境評價(jià)及國土規(guī)劃的重要參考。

　　地球化學(xué)的一些重大成果是各分支學(xué)科綜合研究的結(jié)果。如隕石、月巖與地球形成的同位素年齡的一致，表明太陽系各成員形成獨(dú)立宇宙體的時(shí)間是大致相同的。又如微量元素和同位素研究，導(dǎo)致發(fā)現(xiàn)地幔組成的不均一性(垂向的和區(qū)域的)，提出了雙層地幔模型，加深了對地球內(nèi)部的認(rèn)識。天體化學(xué)、微量元素和同位素地球化學(xué)研究，還為新災(zāi)變論提供了依據(jù)。

　　在研究方法上，地球化學(xué)綜合地質(zhì)學(xué)、化學(xué)和物理學(xué)等的基本研究方法和技術(shù)，形成的一套較為完整和系統(tǒng)的地球化學(xué)研究方法。這些方法主要包括：野外地質(zhì)觀察、采樣；天然樣品的元素、同位素組成分析和存在狀態(tài)研究；元素遷移、富集地球化學(xué)過程的實(shí)驗(yàn)?zāi)�擬等。

　　在思維方法上，對大量自然現(xiàn)象的觀察資料和巖石、礦物中元素含量分析數(shù)據(jù)的綜合整理，廣泛采用歸納法，得出規(guī)律，建立各種模型，用文字或圖表來表達(dá)，稱為模式原則。

　　隨著研究資料的積累和地球化學(xué)基礎(chǔ)理論的成熟和完善，特別是地球化學(xué)過程實(shí)驗(yàn)?zāi)�擬方法的建立，地球化學(xué)研究方法由定性轉(zhuǎn)入定量化、參數(shù)化，大大加深了對自然作用機(jī)制的理解，現(xiàn)代地球化學(xué)廣泛引入精密科學(xué)的理論和思維方法研究自然地質(zhì)現(xiàn)象，如量子力學(xué)、化學(xué)熱力學(xué)、化學(xué)動力學(xué)核子物理學(xué)等，以及電子計(jì)算技術(shù)的應(yīng)用使地球化學(xué)提高了推斷能力和預(yù)測水平。

　　當(dāng)前地球化學(xué)的研究正在經(jīng)歷三個(gè)較大的轉(zhuǎn)變：由大陸轉(zhuǎn)向海洋；由地表、地殼轉(zhuǎn)向地殼深部、地幔；由地球轉(zhuǎn)向球外空間。地球化學(xué)的分析測試手段也將更為精確快速，微量、超微量分析測試技術(shù)的發(fā)展，將可獲得超微區(qū)范圍內(nèi)和超微量樣品中元素、同位素分布和組成資料。低溫地球化學(xué)、地球化學(xué)動力學(xué)、超高壓地球化學(xué)、稀有氣體地球化學(xué)、比較行星學(xué)等很有發(fā)展前景。