地球化學(學科名)

地球化學是研究地球的化學組成、化學作用和化學演化的科學，它是地質學與化學、物理學相結合而產生和發展起來的邊緣學科。自20世紀70年代中期以來，地球化學和地質學、地球物理學已成為固體地球科學的三大支柱。它的研究範圍也從地球擴展到月球和太陽系的其他天體。 地球化學的理論和方法，對礦產的尋找、評價和開發，農業發展和環境科學等有重要意義。地球科學基礎理論的一些重大研究成果，如界限事件、洋底擴張、岩石圈演化等均與地球化學的研究有關。它已經成長為地球科學的支柱學科，在此學科有突出貢獻的有南京大學地球科學與工程學院、中國地質大學。

基本介紹

• 中文名：地球化學
• 外文名：Geochemistry
• 產生：地質學與化學、物理學相結合
• 地位：地球科學的支柱學科

發展簡史

從19世紀開始，一些工業國家逐漸開展系統的地質調查和填圖、礦產資源的尋找及開發利用促進了地球化學的萌芽。1838年，德國舍恩拜因首先提出“地球化學”這個名詞。19世紀中葉以後，分析化學中的重量分析、容量分析逐漸完善；化學元素周期律的發現以及原子結構理論的重大突破，為地球化學的形成奠定了基礎。

相關書籍

1908年，美國克拉克發表《地球化學資料》一書。挪威戈爾德施密特在《元素的地球化學分布規則》中指出化學元素在地球上的分布，這使地球化學從主要研究地殼的化學紐成轉向探討化學元素在地球中分布的控制規律。

1927年他組織和領導了世界上第一個地球化學研究機構——生物地球化學實驗室。

1907年美國化學家博爾特伍德發表了第一批化學鈾-鉛法年齡數據。30～40年代鈾-釷-鉛法、鉀-氬法、鉀-鍶法、普通鉛法、碳-14法等逐步發展完善，使同位素地質年代學初具規模。

在這個時期，中國在元素地球化學、同位素地質年代學方面也取得了一批重要成果，

基本內容

地球化學主要研究地球和地質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部分(如水圈、氣圈、生物圈、岩石圈)和地質體中的分布；研究地球表面和內部及某些天體中進行的化學作用，揭示元素及其同位素的遷移、富集和分散規律；研究地球乃至天體的化學演化，即研究地球各個部分，如大氣圈、水圈、地殼、地幔、地核中和各種岩類以及各種地質體中化學元素的平衡、旋迴，在時間和空間上的變化規律。

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基於研究對象和手段不同，地球化學形成了一些分支學科。

元素地球化學是從岩石等天然樣品中化學元素含量與組合出發，

比如已經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。另外在礦產資源研究中，

有機地球化學是研究自然界產出的有機質的組成、結構、性質、空間分布、在地球歷史中的演化規律以及它們參與地質作用對元素分散富集的影響。生命起源的研究就是有機地球化學的重要內容之一。

天體化學是研究元素和核素的起源，元素的宇宙豐度，宇宙物質的元素組成和同位素組成及其變異，天體形成的物理化學條件及在空間、時間的分布、變化規律。

環境地球化學是研究人類生存環境的化學組成化學作用、化學演化及其與人類的相互關係，目前是人們未來研究的熱門方向。

礦床地球化學是研究礦床的化學組成、化學作用和化學演化。著重探討成礦的時間、物理化學條件、礦質來源和機理等問題。它綜合元素地球化學、同位素地球化學、勘查地球化學和實驗地球化學等分支學科的研究方法和成果，為礦產的尋找、評價、開發利用服務。

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區域地球化學是研究一定地區某些地質體和圈層的化學組成、化學作用和化學演化，為劃分元素地球化學區和成礦遠景區提供了依據。

勘查地球化學是通過對成礦元素和相關元素在不同地質體及區帶的含量和分布研究，

導致發現地幔組成的不均一性(垂向的和區域的)，

在研究方法上，地球化學綜合地質學、化學和物理學等的基本研究方法和技術，形成的一套較為完整和系統的地球化學研究方法。這些方法主要包括：

在思維方法上，對大量自然現象的觀察資料和岩石、礦物中元素含量分析數據的綜合整理，廣泛採用歸納法，得出規律，建立各種模型，用文字或圖表來表達，稱為模式原則。

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如量子力學、化學熱力學、化學動力學核子物理學等，以及電子計算技術的套用使地球化學提高了推斷能力和預測水平。

地球化學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的發展，將可獲得超微區範圍內和超微量樣品中元素、同位素分布和組成資料。

發展階段

地球化學的發展過程大致可以分為3個時期：

萌芽時期

19世紀一些工業先進國家逐漸開展的系統的地質調查和填圖、礦產資源的尋找及開發利用促進了地球化學的萌芽。1838年，德國C.F.舍恩拜因首先提出“地球化學”這個名詞。19世紀中葉以後，分析化學中的重量分析、容量分析逐漸完善；化學元素周期律的發現以及原子結構理論的重大突破（如放射性的發現），為地球化學的形成奠定了基礎。

形成時期

1908年，美國F.W.克拉克發表《地球化學資料》一書，1924年出版了第五版。在這部著作中，克拉克廣泛地匯集和計算了地殼及其各部分的化學組成，明確提出地球化學應研究地球的化學作用和化學演化，為地球化學的發展指出了方向。挪威V.M.戈爾德施密特在《元素的地球化學分布規則》(1923～1938)中，指出化學元素在地球上的分布，不僅與其原子的物理化學性質有關，而且還與它在晶格中的行為特性有關。這使地球化學從主要研究地殼的化學組成轉向探討化學元素在地球中分布的控制規律。蘇聯В。И.維爾納茨基和А。Е.費爾斯曼共同建立了蘇聯的地球化學學派。1922年費爾斯曼發表《俄羅斯地球化學》一書，系統論述了各地區的地球化學，是第一部區域地球化學基礎著作。1924年維爾納茨基發表了《地球化學概論》一書，首次為地球化學提出了研究原子歷史的任務，最先注意到生物對於地殼、生物圈中化學元素遷移、富集和分散的巨大作用。1927年他組織和領導了世界上第一個地球化學研究機構──生物地球化學實驗室。30年代費爾斯曼出版了《地球化學》(4卷)，多方面分析了地殼中各種原子運移的規律。與此同時，放射性衰變規律的認識、同位素的發現、質譜儀的發明與改進，導致了同位素地球化學，特別是同位素地質年代學的開拓。1907年美國化學家B.B.博爾特伍德發表了第一批化學鈾－鉛法年齡數據。30～40年代鈾－釷－鉛法、鉀－氬法、銣－鍶法、普通鉛法、碳－14法等逐步發展完善，使同位素地質年代學初具規模。

發展時期

50年代以後，地球化學除了繼續把礦產資源作為重要研究對象以外，還開闢了環境保護、地震預報、海洋開發、農業開發、生命起源、地球深部和球外空間等領域的研究。地球化學分析手段飛速發展，廣泛套用超微量、高靈敏度的分析測試技術和儀器，配合電子計算機的使用，不僅可獲得大量高精度的分析數據，而且可以直接揭示樣品中難於觀測的元素及其同位素組成的細微變化和超微結構。一些新的年代測定法，如鈾系法、裂變徑跡法、氬－40/氬－39法、釤－釹法、熱釋光法等相繼成熟，使同位素地質年代學方法更加完善。

在這個時期，中國在元素地球化學、同位素地質年代學方面取得了一批重要成果，如1961年李璞等發表了中國第一批同位素年齡數據；1962年黎彤等發表了中國各種岩漿岩平均化學成分資料；1963年中國科學院完成了中國鋰鈹鈮鉭稀土元素地球化學總結，提出了這些礦種的重要礦床類型和分布規律。

分支學科

基於研究對象和手段不同，地球化學形成了一些分支學科。

元素

它從岩石等天然樣品中化學元素含量與組合出發，研究各個元素在地球各部分以及宇宙天體中的分布、遷移與演化。在礦產資源研究中，元素地球化學發揮了重要作用，微量元素地球化學研究提供了成岩、成礦作用的地球化學指示劑，並為成岩、成礦作用的定量模型奠定了基礎。

同位素

根據自然界的核衰變、裂變及其他核反應過程所引起的同位素變異，以及物理、化學和生物過程引起的同位素分餾，研究天體、地球以及各種地質體的形成時間、物質來源與演化歷史。同位素地質年代學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間坐標。已測得：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。在礦產資源研究中，同位素地球化學可以提供成岩、成礦作用的多方面信息，為探索某些地質體和礦床的形成機制和物質來源提供依據。

有機化學

研究自然界產出的有機質的組成、結構、性質、空間分布、在地球歷史中的演化規律以及它們參與地質作用對元素分散富集的影響。生命起源的研究是有機地球化學的重要內容之一。包括兩方面：一是對生命前期有機物質演化及前寒武紀古老岩石中生命痕跡的探索；二是根據天體演化規律，進行地球上早期生命及生命起源機制的模擬實驗。有機地球化學建立的一套生油指標，為油氣的尋找和評價提供了重要手段。

天體化學

研究元素和核素的起源，元素的宇宙豐度，宇宙物質的元素組成和同位素組成及其變異，天體形成的物理化學條件及在空間、時間的分布、變化規律。

環境化學

研究人類生存環境的化學組成、化學作用、化學演化及其與人類的相互關係，以及人類活動對環境狀態的影響及相應對策。環境地球化學揭示了某些疾病的地區性分布特徵及其與環境要素間的關係。

礦床化學

研究礦床的化學組成、化學作用和化學演化。著重探討成礦的時間、物理化學條件、礦質來源和機理等問題。它綜合元素地球化學、同位素地球化學、計算地球化學、勘查地球化學和實驗地球化學等分支學科的研究方法和成果，為礦產的尋找、評價、開發利用服務。

區域化學

研究一定地區某些地質體和圈層的化學組成、化學作用和化學演化，以及元素、同位素的循環、再分配、富集和分散的規律。它為解決區域各類基礎地質問題、區域成礦規律和找礦問題以及區域地球化學分區與環境評價等服務。區域地球化學揭示的元素在空間分布的不均勻性，為劃分元素地球化學省和成礦遠景區提供了依據。

勘查化學

通過對成礦元素和相關元素在不同地質體及區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。除直接為礦產資源服務外，它也是環境評價及國土規劃的重要參考。

地球化學的一些重大成果是各分支學科綜合研究的結果。如隕石、月岩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立宇宙體的時間是大致相同的。又如微量元素和同位素研究，導致發現地幔組成的不均一性（垂向的和區域的），提出了雙層地幔模型，加深了對地球內部的認識。天體化學、微量元素和同位素地球化學研究，還為新災變論提供了依據。

研究方法

綜合地質學、化學和物理學等的基本研究方法和技術形成的一套較為完整和系統的地球化學研究方法。包括：野外地質觀察、採樣；天然樣品的元素、同位素組成分析和存在狀態研究；元素遷移、富集地球化學過程的實驗模擬等。在思維方法上，對大量自然現象的觀察資料和岩石、礦物中元素含量分析數據的綜合整理，廣泛採用歸納法，得出規律，建立各種模型，用文字或圖表來表達，稱為模式原則。隨著研究資料的積累和地球化學基礎理論的成熟和完善，特別是地球化學過程實驗模擬方法的建立，地球化學研究方法由定性轉入定量化、參數化，大大加深了對自然作用機制的理解。現代地球化學廣泛引入精密科學的理論和思維方法研究自然地質現象，如量子力學、化學熱力學、化學動力學、核子物理學等，以及電子計算技術的套用使地球化學提高了推斷能力和預測水平。在此基礎上編制了一系列的地質和成礦作用的多元多維相圖，建立了許多代表性礦床類型成礦作用的定量模型和勘查找礦的計算機評價和預測方法。

發展展望

地球化學研究正在經歷3個較大的轉變：由大陸轉向海洋；由地表、地殼轉向地殼深部、地幔；由地球轉向球外空間。地球化學的分析測試手段將更為精確、快速。微量、超微量分析測試技術的發展，將可獲得超微區（微米）範圍內和超微量（微克）樣品中元素、同位素分布和組成資料。低溫地球化學、地球化學動力學、超高壓地球化學、稀有氣體地球化學、比較行星學等很有發展前景。20世紀90年代的地球化學，除繼續為礦產資源、環境保護等作出貢獻外，還將為“全球變化──地圈和生物圈十年”，“國際減災十年”，大陸超深鑽、行星探測、深海觀察、不同比例尺地球化學圖等提供新的成果。