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地球化学(学科名)

地球化学是研究地球的化学组成、化学作用和化学演化的科学,它是地质学与化学、物理学相结合而产生和发展起来的边缘学科。自20世纪70年代中期以来,地球化学和地质学、地球物理学已成为固体地球科学的三大支柱。它的研究范围也从地球扩展到月球和太阳系的其他天体。 地球化学的理论和方法,对矿产的寻找、评价和开发,农业发展和环境科学等有重要意义。地球科学基础理论的一些重大研究成果,如界限事件、洋底扩张、岩石圈演化等均与地球化学的研究有关。它已经成长为地球科学的支柱学科,在此学科有突出贡献的有南京大学地球科学与工程学院、中国地质大学(武汉)。

从19世纪开始,一些工业国家逐渐开展系统的地质调查和填图、矿产资源的寻找及开发利用促进了地球化学的萌芽。1838年,德国舍恩拜因首先提出“地球化学”这个名词。19世纪中叶以后,分析化学中的重量分析、容量分析逐渐完善;化学元素周期律的发现以及原子结构理论的重大突破,为地球化学的形成奠定了基础。

1908年,美国克拉克发表《地球化学资料》一书。挪威戈尔德施密特在《元素的地球化学分布规则》中指出化学元素在地球上的分布,这使地球化学从主要研究地壳的化学纽成转向探讨化学元素在地球中分布的控制规律。

1927年他组织和领导了世界上第一个地球化学研究机构生物地球化学实验室。

1907年美国化学家博尔特伍德发表了第一批化学铀-铅法年龄数据。30~40年代铀-钍-铅法、钾-氩法、钾-锶法、普通铅法、碳-14法等逐步发展完善,使同位素地质年代学初具规模。

在这个时期,中国在元素地球化学、同位素地质年代学方面也取得了一批重要成果,

地球化学主要研究地球和地质体中元素及其同位素的组成,定量地测定元素及其同位素在地球各个部分(如水圈、气圈、生物圈、岩石圈)和地质体中的分布;研究地球表面和内部及某些天体中进行的化学作用,揭示元素及其同位素的迁移、富集和分散规律;研究地球乃至天体的化学演化,即研究地球各个部分,如大气圈、水圈、地壳、地幔、地核中和各种岩类以及各种地质体中化学元素的平衡、旋回,在时间和空间上的变化规律。

基于研究对象和手段不同,地球化学形成了一些分支学科。

元素地球化学是从岩石等天然样品中化学元素含量与组合出发,

比如已经测得太阳系各行星形成的年龄为45~46亿年,太阳系元素的年龄为50~58亿年等等。另外在矿产资源研究中,

有机地球化学是研究自然界产出的有机质的组成、结构、性质、空间分布、在地球历史中的演化规律以及它们参与地质作用对元素分散富集的影响。生命起源的研究就是有机地球化学的重要内容之一。

天体化学是研究元素和核素的起源,元素的宇宙丰度,宇宙物质的元素组成和同位素组成及其变异,天体形成的物理化学条件及在空间、时间的分布、变化规律。

环境地球化学是研究人类生存环境的化学组成化学作用、化学演化及其与人类的相互关系,目前是人们未来研究的热门方向。

矿床地球化学是研究矿床的化学组成、化学作用和化学演化。着重探讨成矿的时间、物理化学条件、矿质来源和机理等问题。它综合元素地球化学、同位素地球化学、勘查地球化学和实验地球化学等分支学科的研究方法和成果,为矿产的寻找、评价、开发利用服务。

区域地球化学是研究一定地区某些地质体和圈层的化学组成、化学作用和化学演化,为划分元素地球化学区和成矿远景区提供了依据。

勘查地球化学是通过对成矿元素和相关元素在不同地质体及区带的含量和分布研究,

导致发现地幔组成的不均一性(垂向的和区域的),

在研究方法上,地球化学综合地质学、化学和物理学等的基本研究方法和技术,形成的一套较为完整和系统的地球化学研究方法。这些方法主要包括:

在思维方法上,对大量自然现象的观察资料和岩石、矿物中元素含量分析数据的综合整理,广泛采用归纳法,得出规律,建立各种模型,用文字或图表来表达,称为模式原则。

如量子力学、化学热力学、化学动力学核子物理学等,以及电子计算技术的应用使地球化学提高了推断能力和预测水平。

地球化学的分析测试手段也将更为精确快速,微量、超微量分析测试技术的发展,将可获得超微区范围内和超微量样品中元素、同位素分布和组成资料。

地球化学的发展过程大致可以分为3个时期:

19世纪一些工业先进国家逐渐开展的系统的地质调查和填图、矿产资源的寻找及开发利用促进了地球化学的萌芽。1838年,德国C.F.舍恩拜因首先提出“地球化学”这个名词。19世纪中叶以后,分析化学中的重量分析、容量分析逐渐完善;化学元素周期律的发现以及原子结构理论的重大突破(如放射性的发现),为地球化学的形成奠定了基础。

1908年,美国F.W.克拉克发表《地球化学资料》一书,1924年出版了第五版。在这部著作中,克拉克广泛地汇集和计算了地壳及其各部分的化学组成,明确提出地球化学应研究地球的化学作用和化学演化,为地球化学的发展指出了方向。挪威V.M.戈尔德施密特在《元素的地球化学分布规则》(1923~1938)中,指出化学元素在地球上的分布,不仅与其原子的物理化学性质有关,而且还与它在晶格中的行为特性有关。这使地球化学从主要研究地壳的化学组成转向探讨化学元素在地球中分布的控制规律。苏联В。И.维尔纳茨基和А。Е.费尔斯曼共同建立了苏联的地球化学学派。1922年费尔斯曼发表《俄罗斯地球化学》一书,系统论述了各地区的地球化学,是第一部区域地球化学基础著作。1924年维尔纳茨基发表了《地球化学概论》一书,首次为地球化学提出了研究原子历史的任务,最先注意到生物对于地壳、生物圈中化学元素迁移、富集和分散的巨大作用。1927年他组织和领导了世界上第一个地球化学研究机构──生物地球化学实验室。30年代费尔斯曼出版了《地球化学》(4卷),多方面分析了地壳中各种原子运移的规律。与此同时,放射性衰变规律的认识、同位素的发现、质谱仪的发明与改进,导致了同位素地球化学,特别是同位素地质年代学的开拓。1907年美国化学家B.B.博尔特伍德发表了第一批化学铀-铅法年龄数据。30~40年代铀-钍-铅法、钾-氩法、铷-锶法、普通铅法、碳-14法等逐步发展完善,使同位素地质年代学初具规模。

50年代以后,地球化学除了继续把矿产资源作为重要研究对象以外,还开辟了环境保护、地震预报、海洋开发、农业开发、生命起源、地球深部和球外空间等领域的研究。地球化学分析手段飞速发展,广泛应用超微量、高灵敏度的分析测试技术和仪器,配合电子计算机的使用,不仅可获得大量高精度的分析数据,而且可以直接揭示样品中难于观测的元素及其同位素组成的细微变化和超微结构。一些新的年代测定法,如铀系法、裂变径迹法、氩-40/氩-39法、钐-钕法、热释光法等相继成熟,使同位素地质年代学方法更加完善。

在这个时期,中国在元素地球化学、同位素地质年代学方面取得了一批重要成果,如1961年李璞等发表了中国第一批同位素年龄数据;1962年黎彤等发表了中国各种岩浆岩平均化学成分资料;1963年中国科学院完成了中国锂铍铌钽稀土元素地球化学总结,提出了这些矿种的重要矿床类型和分布规律。

基于研究对象和手段不同,地球化学形成了一些分支学科。

它从岩石等天然样品中化学元素含量与组合出发,研究各个元素在地球各部分以及宇宙天体中的分布、迁移与演化。在矿产资源研究中,元素地球化学发挥了重要作用,微量元素地球化学研究提供了成岩、成矿作用的地球化学指示剂,并为成岩、成矿作用的定量模型奠定了基础。

根据自然界的核衰变、裂变及其他核反应过程所引起的同位素变异,以及物理、化学和生物过程引起的同位素分馏,研究天体、地球以及各种地质体的形成时间、物质来源与演化历史。同位素地质年代学已建立了一整套同位素年龄测定方法,为地球与天体的演化提供了重要的时间坐标。已测得:太阳系各行星形成的年龄为45~46亿年,太阳系元素的年龄为50~58亿年。在矿产资源研究中,同位素地球化学可以提供成岩、成矿作用的多方面信息,为探索某些地质体和矿床的形成机制和物质来源提供依据。

研究自然界产出的有机质的组成、结构、性质、空间分布、在地球历史中的演化规律以及它们参与地质作用对元素分散富集的影响。生命起源的研究是有机地球化学的重要内容之一。包括两方面:一是对生命前期有机物质演化及前寒武纪古老岩石中生命痕迹的探索;二是根据天体演化规律,进行地球上早期生命及生命起源机制的模拟实验。有机地球化学建立的一套生油指标,为油气的寻找和评价提供了重要手段。

研究元素和核素的起源,元素的宇宙丰度,宇宙物质的元素组成和同位素组成及其变异,天体形成的物理化学条件及在空间、时间的分布、变化规律。

研究人类生存环境的化学组成、化学作用、化学演化及其与人类的相互关系,以及人类活动对环境状态的影响及相应对策。环境地球化学揭示了某些疾病的地区性分布特征及其与环境要素间的关系。

研究矿床的化学组成、化学作用和化学演化。着重探讨成矿的时间、物理化学条件、矿质来源和机理等问题。它综合元素地球化学、同位素地球化学、勘查地球化学和实验地球化学等分支学科的研究方法和成果,为矿产的寻找、评价、开发利用服务。

研究一定地区某些地质体和圈层的化学组成、化学作用和化学演化,以及元素、同位素的循环、再分配、富集和分散的规律。它为解决区域各类基础地质问题、区域成矿规律和找矿问题以及区域地球化学分区与环境评价等服务。区域地球化学揭示的元素在空间分布的不均匀性,为划分元素地球化学省和成矿远景区提供了依据。

通过对成矿元素和相关元素在不同地质体及区带的含量和分布研究,找出异常地段,以便缩小和确定找矿及勘探对象。除直接为矿产资源服务外,它也是环境评价及国土规划的重要参考。

地球化学的一些重大成果是各分支学科综合研究的结果。如陨石、月岩与地球形成的同位素年龄的一致,表明太阳系各成员形成独立宇宙体的时间是大致相同的。又如微量元素和同位素研究,导致发现地幔组成的不均一性(垂向的和区域的),提出了双层地幔模型,加深了对地球内部的认识。天体化学、微量元素和同位素地球化学研究,还为新灾变论提供了依据。

综合地质学、化学和物理学等的基本研究方法和技术形成的一套较为完整和系统的地球化学研究方法。包括:野外地质观察、采样;天然样品的元素、同位素组成分析和存在状态研究;元素迁移、富集地球化学过程的实验模拟等。在思维方法上,对大量自然现象的观察资料和岩石、矿物中元素含量分析数据的综合整理,广泛采用归纳法,得出规律,建立各种模型,用文字或图表来表达,称为模式原则。随着研究资料的积累和地球化学基础理论的成熟和完善,特别是地球化学过程实验模拟方法的建立,地球化学研究方法由定性转入定量化、参数化,大大加深了对自然作用机制的理解。现代地球化学广泛引入精密科学的理论和思维方法研究自然地质现象,如量子力学、化学热力学、化学动力学、核子物理学等,以及电子计算技术的应用使地球化学提高了推断能力和预测水平。在此基础上编制了一系列的地质和成矿作用的多元多维相图,建立了许多代表性矿床类型成矿作用的定量模型和勘查找矿的计算机评价和预测方法。

地球化学研究正在经历3个较大的转变:由大陆转向海洋;由地表、地壳转向地壳深部、地幔;由地球转向球外空间。地球化学的分析测试手段将更为精确、快速。微量、超微量分析测试技术的发展,将可获得超微区(微米)范围内和超微量(微克)样品中元素、同位素分布和组成资料。低温地球化学、地球化学动力学、超高压地球化学、稀有气体地球化学、比较行星学等很有发展前景。20世纪90年代的地球化学,除继续为矿产资源、环境保护等作出贡献外,还将为“全球变化──地圈和生物圈十年”,“国际减灾十年”,大陆超深钻、行星探测、深海观察、不同比例尺地球化学图等提供新的成果。


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