近现代地球化学时期

1. 近现代地球化学时期

从1950年德、美、英、瑞典的地球化学工作者联合发起创办第一个国际性地球化学定期刊物——《地球化学与宇宙化学学报》（Geochimica et Cosmochimica Acta）算起，地球化学进入蓬勃发展时期。这时期由于分析测试技术、电子计算机技术及高温高压实验技术的飞跃进步，同位素理论与方法以及热力学的新进展，使地球化学得到迅速发展。
（1）地球化学研究手段更加先进，研究领域不断扩大
原有的学科分支（元素地球化学、勘查地球化学等）迅速发展，新的分支（有机地球化学、实验地球化学、宇宙化学、环境地球化学等）相继出现。当前，地球化学分支学科达30多个。其中，在中国发展的较好较快的分支学科主要有矿床地球化学、环境地球化学、有机地球化学、勘查地球化学、天体化学、构造地球化学、区域地球化学、同位素地球化学、元素地球化学等等。
（2）地球化学著作大量出版
如A.A.萨乌科夫的《地球化学》（1950），兰卡玛（K.Rankama）和萨哈玛（T.G.Sahama）的《地球化学》（1950），梅森（B.Mason）的《地球化学原理》（1952），缪尔（A.Muir）编撰的V.M.戈尔德施密特的遗作《地球化学》（1954），A.П.维格拉多夫的《土壤中稀有分散元素地球化学》（1959），P.H.艾贝尔森的《地球化学研究》（1959，1967），W.S.法伊夫的《固体地球化学》（1964），J.V.勒斯勒的《地球化学表》（1965），C.M.曼斯卡娅的《有机地球化学》（1964），E.T.迪更斯的《沉积物地球化学》（1965），K.B.克罗斯科普夫的《地球化学导论》（1967），K.A.克文沃尔登的《地球化学与生命起源》（1974），C.T.沃尔克的《硼的地球化学》（1975），H.L.巴恩斯的《热液矿床地球化学》（1967，1979），列文生（A.A.Levinson）的《勘查地球化学导论》（1974），J.A.C.福蒂斯丘的《环境地球化学》（1980），A.H.Brownlow的《地球化学》（1996），H.H.特洛菲莫夫的《金属矿床地球化学勘探》（1998），H.H.特洛菲莫夫的《溴和碘的地球化学》（1998），Chen Zhu and Greg Anderso的《环境地球化学模型》（2002）等等。
中国也出版了不少专著。例如，《地球化学》（南京大学地质系，1961），《稀土元素地球化学》（郭承基，1963），《华南花岗岩类的地球化学》（中国科学院地球化学研究所，1979）、《铁的地球化学》（中国科学院地球化学研究所，1979），《地球化学》（武汉地质学院地球化学教研室，1979），《有机地球化学》（中国科学院地球化学研究所，1982），《西藏南部花岗岩类地球化学》（中国科学院地球化学研究所，1982），《铀地球化学》（张祖还，1984），《铀地球化学教程》（王剑锋，1984，1998），《元素地球化学》（刘英俊等，1984），《地球化学》（涂光炽等，1984），《中国层控矿床地球化学1～3卷，》（涂光炽等，1984，1987，1988），《勘查地球化学》（刘英俊等，1987a），《钨的地球化学》（刘英俊、马东升，1987），《元素地球化学导论》（刘英俊等，1987b），《天体化学》（欧阳自远，1988），《环境地球化学》（陈静生等，1990），《地球化学》（陈道公等，1994），《环境有机地球化学》（傅家谟等，1996），《矿床地球化学》（中国科学院矿床地球化学开放研究实验室，1997），《高等地球化学》（中国科学院地球化学研究所，1998），《低温地球化学》（涂光炽等，1998），《微量元素地球化学》（赵振华，1998），《稳定同位素地球化学》（郑永飞，2000），《地球的化学过程与物质演化》（欧阳自远等，2001），《地球化学》（陈骏、王鹤年，2004），《月球科学概论》（欧阳自远，2005），《地球化学进展》（张本仁、傅家谟，2005），《空间化学》（李春来、欧阳自远，2005）等等。
（3）地球化学学术刊物大幅度增加
如《Chemie der Erde》（1919年创刊，德国），《Геохимия》（1956年创刊，前苏联），《Geochimica et Cosmochimica Acta》（1950年创刊，国际刊物），《Geochemistry International》（1964年创刊，国际刊物），《Chemical Geology》（1966年创刊，国际刊物），《Journal of Geochemistry》（1966年创刊，日本），《Geochronigue》（1968年创刊，法国），《Journal of Geochemical Exploration》（1972年创刊，国际刊物），《地球化学》（1972年创刊，中国），《Organic Geochemistry》（1977年创刊，美国），《Chinese Journal of Geochemistry》（1982年创刊，中国），《Biogeochemistry》（1985年创刊，荷兰），《Applied Geochemistry》（1986年创刊，国际刊物），《Global Biogeochemistry Cycles》（1987年创刊，美国）等等。
（4）地球化学教学和研究机构、学术团体普遍建立，地球化学学术研究活动广泛开展
1949年新中国成立了，一批年青科学家从国外学成归国，推动了中国地球化学的教学和研究事业。1950年，涂光炽与“中国核弹之父”邓稼先以及地质学家张炳熹、池际尚、叶笃正等（都是中国科学院院士）一批爱国科学家乘“威尔逊总统号”轮船回国。1950年代初在侯德封、涂光炽、叶连俊等一批老科学家的带动下，中国地球化学教学和科研事业得到了长足的发展。
新中国的成立促成了中国地球化学教学事业的起步和发展。地球化学课程、专业和地球化学系在新中国逐步开始建立，为国家培养地球化学及化探方面人才。例如，1950年涂光炽自编讲义，在清华大学首次开设地球化学课程。北京大学地质地理系和南京大学地质系在1956年设置了我国第一个地球化学专业。中国科学技术大学在1958年设立了我国第一个地球化学系。北京地质学院在1958年也设立了化探专业（1985年中国地质大学地球化学专业升格为系）。20世纪70年代之后，先后有北京大学、南京大学、中国科学技术大学、中国地质大学（北京）、中国地质大学（武汉）、吉林大学（原长春地质学院）、成都理工大学（原成都地质学院）、西北大学、兰州大学、东华理工大学（原华东地质学院）、长江大学、大庆石油学院等高等院校招收地球化学专业本科生。上述12所高校，加上中国海洋大学、中国石油大学、中国矿业大学、浙江大学、中山大学、西南石油大学、桂林工学院、长安大学（原西安地质学院）等高等院校，还有中国科学院地球化学研究所、中国科学院广州地球化学研究所、中国科学院地质研究所、中国科学院兰州地质研究所等科研单位，都招收地球化学专业硕士和博士研究生，很多高校或研究所还建设有地质学一级学科（含地球化学）博士后流动站。
在科研方面，地球化学科研机构纷纷成立，科研工作也迅速发展。例如，1958年在中国科学院地质研究所内建立了地球化学研究室。1966年建立了中国科学院地球化学研究所。1961年中国科学院在中南大地构造所、兰州地质所和青海盐湖研究所内设立了地球化学研究室。1957年成立的地质部地球物理探矿研究所在60年代也开展了地球化学探矿工作（80年代改名为地球物理地球化学勘查研究所）。现已建设有4个地球化学方面的国家重点实验室。其中环境地球化学国家重点实验室（State Key Laboratory of Environmental Geochemistry）建在中国科学院地球化学研究所，矿床地球化学国家重点实验室（State Key Laboratory of Ore Deposit Geochemistry）建在中国科学院地球化学研究所，有机地球化学国家重点实验室（State Key Laboratory of Organic Geochemistry）建在中国科学院广州地球化学研究所，气体地球化学国家重点实验室（State Key Laboratory of Gas Geochemistry）建在中国科学院兰州地质研究所。
在学术交流方面，学术组织和学术交流活动也在迅速增长。例如，中国地质学会1963年底召开了全国第一届矿物岩石地球化学学术会议。1978年，中国矿物岩石地球化学学会成立，并于次年以中国国家的名义加入了国际地球化学与宇宙化学协会（IAGC）及国际矿物协会（IMA），与学会成立大会同时召开了全国第二届矿物岩石地球化学学术会议。目前，全国主要的省（市、自治区）也建立了矿物岩石地球化学学会。国际国内有关地球化学的学术会议很多。常规的国际地球化学学术会议是每年一届的“Goldschmidt Conference”，由Geochemical Society and the European Association of Geochemistry学会主办。常规的国内地球化学学术会议是每年一届的全国矿物岩石地球化学学术年会，由中国矿物岩石地球化学学会主办。
（5）近现代地球化学研究快速发展
在研究对象、研究领域、研究范畴、研究的时间尺度、研究方法、技术和手段等方面形成了以下几个特点：①研究对象从地球单一层圈内的物质组成和作用研究发展到不同层圈间及界面之间的相互作用；②研究领域由地表、地壳向地球深部扩展，由大陆向海洋扩展，由地球向月球及其他行星扩展；③研究范畴从三维空间向四维时空拓展，更加注重对时空演化规律的研究；④研究的时间尺度有长有短、有老有新（既注重对过去长时间尺度古老地质事件的研究，也关注短时间尺度地质作用的把握；既注重对过去地质事件的重建，更关注对未来的预测；⑤研究方法、技术和手段也发生了变化，从静态的半定量描述转向动态的定量模拟，从大区域范围岩石矿物样品的综合测定研究向单矿物颗粒内部的微区分析发展（国家自然科学基金指南，2008）。

2. 地球化学开创时期

人类诞生和发展于地球之上,对于地球上的万物总想知道它们是由什么组成的,无论我国和外国的古代人都曾在这方面提出一些初期朦胧的见解,我国和希腊的古籍均有这类的记载。我国西周时期的“五行说”将地球上的自然物质划分为水、火、金、木、土五行;古希腊哲学家亚里士多德则把地球物质运动视为四元素 (火、气、土、水)与四性(热、冷、干、湿)相结合的变换转化。这些认识反映了人类对有关万物是由少数元素组成的原始萌芽思想。但是在现代化学元素概念提出、原子分子学说建立和周期系中的元素被发现之前,真正意义上的地球化学是不可能形成的。正是由于 18 世纪后半叶 (1777年)拉瓦锡通过物质的燃烧实验研究否定了“燃素”的存在,从而建立了化学元素的科学概念,才促进自然界元素的辨认和发现,并为原子、分子论和现代化学奠定了基础。在基础科学的发展和影响下,地质学竭力查明各类地质体及其组成矿物、岩石等究竟是由何种元素构成的,进而为了阐明各类地质体元素成分规律而导致理论地球化学的建立。
“地球化学”这个名称早在 1838年由瑞士化学家申拜因 (Schönbein)首次提出,而后他在 1842年就预言:“一定要有了地球化学,才能有真正的地质科学”,并断言:“未来地质学家不会永远追随现在那些学者所走的路。地质学需要扩大范围。一旦化石不能满足需要,势必另找新的辅助手段。毫无疑问,那时必然要将矿物学、化学的研究方法引入地质学中,这已经为期不远了”。然而,整个 19 世纪地球化学还是处于资料数据的积累阶段,即主要收集一般地质学和矿物学研究过程中分析得出的各类地质体——矿物、岩石、自然水体和大气等的化学成分数据。当时地质体化学组成的分析和研究,许多年来都限于在欧洲的一些实验室进行,直到美国地质调查机构成立并于 1884年任命克拉克(F.W.Clarke)为首席化学师时起,一个从事地球物质成分研究的化学调查中心在美洲大陆上建立起来。
克拉克任首席化学师达41年,他负责处理巨量和不断增长的野外地质人员采集的矿物、岩石和矿石分析数据,研究这些数据的意义。1889年,他首次发表了经典论文《化学元素的相对丰度》,该文是应用已积累的岩石分析数据来确定地壳的平均成分与元素相对丰度的首次尝试。1908年克拉克撰写的《地球化学资料》(Data of Geochemistry)一书问世,首次发表了关于地壳中 50 种元素的平均含量或丰度的总结资料。此后近20年中该书五次再版。1924年发行的最后版本至今仍不失为有重要价值的地球化学参考资料。值得注意的是,尽管当时的数据并非足够精确,克拉克却能从中得出某些重要的科学预见。例如,把地壳中元素的丰缺与元素起源和原子稳定性联系起来的设想等。
1900年左右,门捷列夫周期表中预测的元素大部分被发现。在 20 世纪最初 20年内,原子结构和组成、分子结构和化学键学说先后建立,而热力学已广泛应用于化学,为地球化学由资料积累向理论学科发展奠定了必要基础。因此,20 世纪 20～40年代是地球化学成为一门独立成型学科的奠基和形成阶段。由于克拉克开拓了地壳化学组成研究的方向,他被认为是地球化学的奠基人。
1904年美国华盛顿卡内基研究所 (Carnegie Institute)建立的地球物理实验室,开辟了地球化学发展的新方向。该实验室的方针是在有控制的条件下进行仔细的实验研究,并将物理化学原理应用于地质过程,由此大大推动了地球化学的发展。例如,N.L.鲍温(1928)关于岩浆反应序列的实验结果至今仍具有重要意义,它展示了玄武岩浆分异的全过程,即如何从一种贫硅、富镁铁的熔体通过结晶分异演化出一种富硅、贫镁铁的岩石的整个过程,这对于由上地幔演化出地壳这一过程的阐明有很大帮助。
同一时期,在北欧挪威也发展出一个地球化学学派。这个学派由沃格特 (J.H.L.Vogt)和布罗格 (W.C.Brogger)创立。后来由于戈尔德施密特及其同事的卓越研究成果而驰名于世。戈尔德施密特 1911年毕业于奥斯陆大学,他的博士学位论文《克利斯提阿尼阿地区 (奥斯陆旧称)的接触变质作用》就是对地球化学基础理论的一个贡献。该文应用相律来研究页岩、泥灰岩和石灰岩由于接触变质作用所引起的矿物组成或组合变化,从而证明可以应用化学相平衡原理来阐明这些变化。
1912年是地球化学发展的重要一年,劳埃 (von Laue)证明了晶体中原子的规律排列对于X射线能起着衍射光栅的作用,从而导致发现能确定固体物质原子排列结构的方法。自那以后,地球化学家大量开展固体物质化学的研究,并取得丰硕成果。这方面的发展,戈尔德施密特是功不可没的。他的远见卓识使他为地球化学完成了大量矿物晶体结构的测定,获得了丰硕的成果。从1922—1926年,在奥斯陆大学,他和他的研究集体观测了许多化合物和矿物的晶体结构,测定了元素的离子半径,从而建立起一个广泛坚实的基础,能够确立控制元素在结晶物质中分配的一般规律。此后他应用自己创立的晶体化学原理,结合定量光谱分析方法,开展了个别元素地球化学的研究。1933年戈尔德施密特总结提出了晶体化学第一定律,成功地运用原子和离子半径及极化效应阐明了元素的共生组合和类质同象替代关系,并拟订了元素的地球化学分类。第二次世界大战打断了戈尔德施密特的研究工作,并摧毁了他的健康,他于1947年逝世 (享年59岁)。在戈尔德施密特去世后,由缪尔 (A.Muir)于 1954年编辑他的部分研究成果撰写成地球化学的经典之著《地球化学》。该专著是戈尔德施密特遗留给世人的重要遗产。
20 世纪20～30年代,一个重要地球化学学派在苏联发展起来 (1917年前已开始工作),维尔纳斯基 (1863—1945年)及其学生和同事费尔斯曼 (1883—1945年)是这个学派的核心和创始人。维尔纳斯基发展了矿物成因及其历史的研究方向,他认为研究矿物学必须具有地壳中元素分布和迁移的知识。他对自然界元素共生、迁移等问题作了许多研究;创立了生物地球化学和放射性元素地球化学等分支。1924年出版了专著《地球化学概论》。费尔斯曼对当时已积累的大量地球化学资料进行了系统全面的理论综合,创立了地球化学作用过程能量分析的原理和方法,开展了有关伟晶作用的地球化学研究,开创了区域地球化学研究方向。他广泛应用地球化学知识来研究矿物原料工艺;他最早提倡地球化学找矿方法,于 1940年出版了《地球化学及矿物学找矿方法》。1934～1939年间,费尔斯曼写成了巨著《地球化学》四卷集。
综合分析20 世纪前半叶地球化学的发展途径可以认为:①地球化学的孕育和形成是地质学引入化学理论和方法认识地质现象,并推动地质学深入和精确化发展的结果。应用化学和物理化学理论可以对大量地质观测资料从微观原子和离子视角阐明元素分布、分配和迁移的规律,并根据热力学理论探讨自然作用过程。②人类社会经济发展对矿产资源不断增长的需求,则成为促使地球化学发展的重要动力。

3. 地球化学的概念

地球是一个极其复杂的物质体系，地球科学中的各个分支学科都是从各自的观点和不同的角度去认识和探索这个复杂物质体系的过去和现在。地球化学是地球科学传统学科，它是着重研究地球及其各个组成部分的化学组成、化学作用和化学演化的科学。地球化学是地质学和化学学科交叉的产物，同时还汲取物理学、数学、天文学、空间科学、海洋学等学科的丰富营养。现在，地球化学与地质学、地球物理学和大地测量学一起成为地球科学的四大支柱学科。
瑞士化学家C.F.许拜恩于1838年首创“地球化学”这个词，他说“在使描述地质学过渡为地质学之前，必须创立一门新学科，这就是地球化学”。“先有地球化学，然后才能谈真正的地质科学”。自从地球化学创立以来，不同时期的著名地球化学家都对地球化学做过定义，这些定义不同程度地反映了地球化学各个时期的发展水平。现分别介绍如下：
美国地质调查所主任化学师F.W.克拉克（F.W.Clark，1847～1931）在1924年第五版《地球化学资料》（“The Data of Geochemistry”）的序言中指出：“每一种岩石都可以看成一个化学体系，在这个体系中，各种作用都可以引起化学变化，研究这些变化就是地球化学的范畴。确定可能发生什么变化，怎样发生和什么时候发生，观察伴随这些变化所发生的现象，记录它们的最后结果，就是地球化学的功能”。
前苏联科学院院士B.И.维尔纳茨基（B.И.Вернадский，1863～1945）在1924年出版的世界最早一部地球化学著作《地球化学概念》中明确指出：“地球化学是用科学的方法研究地壳中的化学元素，即研究地壳中的原子，并尽可能地研究整个地球上的原子。它研究原子的历史，研究原子在时间上、空间上的运动和分布，研究原子在地球上相互间的成因联系”。他的学生A.E.费尔斯曼院士（A.E.Ферсман，1883～1945）同样强调地球化学研究原子历史的任务，他在1933年出版的《地球化学》（四卷集）第一卷中指出：“地球化学研究地壳中化学元素——原子的历史及其在自然界的各种不同的热力学和物理化学条件下的行为”。
V.M.戈尔德施密特（V.M.Goldschmidt，1888～1947）在他所著《地球化学》中也阐明了地球化学的概念，他认为：“地球化学是根据原子和离子的性质，研究化学元素在矿物、矿石、岩石、土壤、水及大气圈中的分布和含量以及这些元素在自然界的迁移。地球化学的主要目的，一方面是定量地确定地球及其各部分的化学组成，另一方面是揭示每种元素分布的控制规律”。
我国在20世纪70年代以后出版的《地球化学》也给地球化学做过明确的定义，如南京大学刘英俊等编著的《地球化学》（1979年）中对地球化学定义如下：“地球化学主要是研究地壳（尽可能整个地球）中的化学成分和化学元素及其同位素在地壳（地球）中的分布、分配、共生组合、集中分散及迁移规律的运动形式和全部运动历史的科学，也就是研究地壳（地球）中物质的化学运动和变化过程的科学”。
20世纪40年代以后，修斯（H.E.Suess）和尤里（H.C.Urey）综合天体化学、天体物理学、同位素地球化学和陨石学研究成果，提出了核素宇宙丰度的概念，把地球化学的定义推广到天体化学研究领域。从50年代开始，由于空间探测技术和空间科学的发展，宇宙化学成为地球化学领域中一项重要研究内容。美国全国地球化学委员会地球化学发展方向小组（1973年）在《地球化学的发展方向》一书中对地球化学的理解大大扩展了其研究范围，该书给地球化学定义如下：“地球化学是关于地球和太阳系的化学成分及化学演化的一门科学，它包括了与它有关的一切科学的化学方向”。
涂光炽等编著的《地球化学》（1984年）对地球化学则作了如下定义：“地球化学就是地球的化学，它是研究地球（也包括部分天体）的化学组成、化学作用及化学演化的学科。它是地学和化学边缘杂交的产物。它更多的是地学的，但也可以是化学的分支学科”。这个定义，将地球化学精练地定位于研究地球和部分天体的化学组成、化学作用和化学演化的科学。
欧阳自远等在2001年出版的《地球的化学过程与物质演化》中定义：“地球化学就是研究各种地质体中的元素及其同位素的组成与时空变化的科学。它既探讨元素的共生组合、赋存形式和元素的物态、化合物种类、形式、键型、价态与其在晶体构造中的配值位置，也探索元素在时空上的宏观与微观的分散、集中、迁移的动态过程，以至太阳系的化学组成与演化，即太阳星云的化学成分、分馏和凝聚，太阳系各行星与小天体（卫星、小行星、彗星、陨石与宇宙尘等）的化学组成与演化。”
由上可见，地球化学的研究对象、研究范围逐步发生变化。经典地球化学的研究对象以地壳中的原子和元素行为为主，而现代地球化学的研究对象在空间上和时间上都发生了较大变化。在空间范围，现代地球化学的研究对象从地壳扩展到地球各部分（包括大气圈、海洋、地表、地壳、地幔等）、直至扩展到太阳系空间（主要包括行星、月球、宇宙尘和陨石等）；在时间尺度上，现代地球化学的研究对象从现代追索到地球形成之初的远古地质时代。

4. 什么是地球化学

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.
地球化学发展简史
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.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,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纽成转向探讨化学元素在地球中分布的控制规律.
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.
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.
20世纪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.
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,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.
地球化学的基本内容
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,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.
同位素地球化学是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座标.
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,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.
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.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.
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亲组成及其变异,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,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.
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,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,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.
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：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.
当前地球化学的研究正在经历三个较大的转变：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.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.

5. 地球化学背景

由于地壳中化学元素在区域分布上的差异性，因此形成了不同的地球化学背景及异常。
在一定的区域范围内或一定的地质体内，一些特征的成矿元素及其伴生元素的含量处于正常状态，这些区域地质体则称为某些元素的地球化学背景区。这里所说的正常状态，主要是指没有受到矿化影响的情况下，一些特征的成矿元素及其伴生元素的含量变化处于“原始”状态。在背景区内，某些特征元素的平均含量值，称作这些元素的区域背景平均值，简称背景值。
为求得某一地区或某一地质体内某一元素的背景值，取样应该避开矿区或矿化带。在统计计算时，必须将那些过高含量或过低含量值剔去。
背景值既然是指某一特定的区域某一地质体内化学元素的正常含量，因此，不同的区域或不同的地质体中某一化学元素的背景值不一定相同，甚至存在着显著的差异性。求取元素的背景时，要按不同的区域与不同地质体，分别统计计算。
背景含量是在一定范围内元素含量变化的一系列数值。而背景平均值也不是一个确定的数值，它与参加统计计算的数据个数、样品分析方法的精度以及计算方法的选择等都有着密切关系。也可以说是这些因素的概率函数值。
在地球化学找矿中，背景值的确定是十分重要的。它是划分异常区与背景区的基础，而仅仅用克拉克值尚不足以将两者区别开。为了说明这一问题，试举一例。
表 3 1 为华南地区不同时代花岗岩中 Sn 的平均含量值。该表显示，华南地区花岗岩中 Sn 的含量平均值即背景值，均高于全球花岗岩的平均含量值。假如事先工作者不了解华南地区不同时代花岗岩中 Sn 的含量分布特征，并未计算其背景值，那么，仅仅用全球花岗岩中 Sn 的含量平均值(3 ×10－ 6)作为区分异常区和背景区的标准，势必将 Sn 平均含量高于3 ×10－ 6的花岗岩体划作 Sn 的异常区。如表 3 1 所示，这样有可能将加里东晚期、华力西 －印支期及燕山期的花岗岩体均作为 Sn 的异常区。事实上，这些时代的花岗岩体中的 Sn 含量尽管为酸性岩体中 Sn 的平均含量的几倍甚至十几倍，但仍然属于背景的范围。
表3-1 华南不同时代花岗岩中 Sn 的平均含量


如前所述，地球化学背景往往不是一个固定的数值，而是在一定范围内起伏的一系列数值。这个变化范围有一个最高值、一个最低值和一个平均值: ①地球化学背景起伏变化的最高值称为背景上限; ②地球化学背景起伏变化的最低值称为背景下限; ③地球化学背景起伏变化的平均值称为背景值。
地球化学背景和背景值随研究范围的不同，有全球性的、地球化学省的、区域性的和局部性的(图 3 1)。

图3-1 各种地球化学背景值

6. 什么是地球化学

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.
地球化学发展简史
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.

7. 现代地球化学

第二次世界大战后,世界进入了原子能应用和航天遥测时代,人类对矿产、能源、材料的需求不断扩大和迅猛增长,带动了各门科学的空前快速的发展,也包括地质学和地球化学。为地球化学创造了快速发展的条件:①地球化学实验室在世界多个国家建立,地球化学专门人才的大量培养;②测试仪器和实验设备的不断改善,诸如精确的光谱仪、质谱仪、电子探针、电子显微镜、扫描电子显微镜、气相色谱仪以及高温高压实验设备、遥感技术方法等的陆续问世,仪器分辨率和精度的不断改进等,分析实验地球化学家的研究有力地推动了地球化学理论的深化和提高;③受到一些发达国家政府强力支持的空间和海洋探测事业的开展,为地球化学提供了更广阔的研究视野,获取了大量有关天体 (行星、太阳、月球等)及海洋水体和洋底岩石等的资料和化学成分数据;④20 世纪 60年代中期全球板块构造学说的创立,带来了地质学界的思想革命,使地质学家的眼界第一次真正能拓宽到整个地球,开始认识到地球刚性岩石圈板块运动是由深部地幔热对流推动的,从而形成了以层圈相互作用观点为指导的对地球发展和演化进行探索的新方向。⑤20 世纪最后30 多年至今,由于全球面临资源、能源、环境、自然灾害等重大问题或危机,多学科综合研究不断增强,学科交流氛围日益趋浓,使得重视自然界物质元素交换循环的地球化学,扩大了与大气科学、海洋科学、天文学、地球物理学、环境科学、土壤学,甚至医学等学科的交流和渗透。所有这些均有利于现代地球化学研究功能的增长、研究范围的扩大,以及学科意义和地位的提高。本阶段地球化学重要发展可归纳如下。
1.同位素地球化学
在放射性衰变定律和核反应理论基础上,通过自然界放射性同位素组成的测定和研究,创立了放射性同位素定年技术方法,使地质学家能够准确地确定岩石形成年龄,了解地球发展和演化的时间顺序,并不断改进已有定年方法及补充新的地质时钟。
广泛测定和研究了自然界各类地质体和物质的元素稳定同位素组成或比值,总结出它们各自的特征作为标记;开展了元素在不同自然作用过程中同位素分馏与组成变化规律的研究,创立了同位素示踪理论和方法,开辟了追索和辨识地质体的物质来源、形成过程和机制的有效途径。例如,参与成矿作用热水溶液中的水可以有不同来源,可以是加热的大气降水、海水、深部来源的变质水和岩浆水等,根据不同成因水具有可相互区别的氢和氧同位素组成特征,可判定热液水的来源,并推知其参加到成矿热液中的途径。
2.微量元素地球化学
在应用相平衡理论及微量元素在共存相间分配定律 (Nernst 分配定律)研究岩浆体系的基础上,创建了微量元素 (含稀土元素)在与岩浆作用有关的部分熔融和结晶分异等过程中的定量分配模型,解决了通过深部来源岩浆岩微量元素组成示踪岩浆源区物质成分和作用过程的问题,从而使研究深部地壳和地幔物质成分和作用特征成为可能。这种定量模型也适用于稳定同位素和放射成因同位素。因此,在微量元素和同位素示踪研究基础上,地幔地球化学和中-下地壳地球化学得到了迅猛发展。
3.地球化学热力学及地球化学动力学
自20 世纪 60年代以来,自然界化合物 (主要矿物)的热力学数据逐渐积累,根据观察到的岩石中矿物相平衡关系,应用热力学理论和计算,大大增强了研究地质作用过程及其所处物理化学条件 (温度、压力、氧逸度等)的能力。如认识到由深部岩浆 (幔源玄武岩质,深源长英质)带至地表的橄榄岩类和麻粒岩类岩石包体,分别代表岩石圈地幔岩石和下地壳岩石,从而开辟了对岩石圈地幔和下地壳进行地球化学研究的新途径。同时,地球化学动力学方向的探索也有了较大的发展。
4.有机地球化学与生物地球化学
有机地球化学以惊人速度快速发展,这是寻找和开发油气资源迫切需求带动的结果。有机地球化学几乎是剖析生油层的唯一手段,并且已经广泛应用于海洋学、土壤学、环境科学、生态学、金属成矿、风化沉积,以及生命起源等领域。相应地,生物地球化学 (含微生物地球化学)也有了明显发展,特别是在探讨元素生物地球化学循环方面更是成果骄人。这使探索生物圈与其他地圈的相互作用成为可能。
5.化学地球动力学
应用元素 (主要是微量元素)和同位素示踪的理论和方法,地球化学开拓了通过追踪地球层圈间物质交换和元素再循环进而揭示层圈相互作用的有效途径。例如,根据板块会聚带中与俯冲作用有关的岛弧玄武岩 (地幔岩浆产物)常显示出异常高的10 Be含量,可证明海洋沉积物曾随洋壳俯冲进入玄武岩质岩浆的地幔源区,后经部分熔融形成的玄武岩质熔体再喷发至地表固结成玄武岩。这是因为10 Be为大气圈上层氮和氧在宇宙射线作用下经核分裂反应而形成的短寿命同位素 (半衰期约为 1.5Ma)。因此10 Be只能在近代海洋沉积物中明显富集,并可作为海洋沉积物加入玄武岩地幔源区的重要标志。在这一壳幔物质再循环中伴随着10 Be由大气圈进入海洋,再转入沉积物,接着随洋壳俯冲进入地幔,然后随经部分熔融形成的岩浆再返回地壳的全部历史。这样的研究能反映地球层圈的相互作用及其动力学特征。所以,阿莱格 (C.J.Allegre)、秦德勒和哈特 (A.Zindler and S.R.Hart) 20世纪80年代初-中期设想通过同位素和元素这种再循环的研究,达到揭示层圈相互作用及地球动力学的目标,称这一研究方向为化学地球动力学 (chemical geodynamics)。
6.全球变化与地球古环境研究
当地球化学提升了探索地球深部物质演化能力的同时,它在大气圈和海洋研究领域也取得了重大进展。基于系统中物质输入和输出质量守恒的原理,考虑沉积岩石圈与大气圈和水圈等的物质交换关系,应用各种可能的地球化学标记或信息,根据它们在各类沉积物(沉积岩岩层、黄土层序、冰川冰盖层序等)的含量、组成及其随时间的变化,可以揭示某一地质时期大气圈和海洋的化学组成和环境特征及其随时间的演化。例如,根据地层中有孔虫目化石的氧同位素组成,可估算出当时古海水的温度;根据不同时代海相硫酸盐的硫同位素组成,已经揭示了显生宙以来古海水硫同位素组成的演化。同样,大气圈某一时期CO2 含量水平也可从该时期可能由沉积圈、海洋和生物圈能供应的数量,以及能放出CO2 的深部火山作用的规模等来估计。因此,地球化学开创了定量研究古环境和古气候及其演化的途径。
7.天体化学与空间化学
通过陨石和月岩样品的测定和研究,以及吸收日益增多的来自航天-遥感技术所获得的太阳系及其以外天体的化学资料和有关信息,地球化学已能在宇宙和太阳系的广阔背景下探索地球的形成和演化。
总之,地球化学的发展历史表明:前期的地球化学强调元素原子的自然历史观,注重由元素在地球 (主要在地壳)中的分布、分配和迁移规律的探索来解决地学问题。从 20世纪 70年代开始,地质学已发展进入地球系统科学时代,地球化学在原有理论和技术方法基础上发展和提升到了探索地球、行星和太阳系化学组成、化学作用和化学演化历史的层次,并将元素和同位素的研究更多地朝着探索地球层圈相互作用和化学演化的示踪理论和方法的新阶段发展。

8. 地球化学背景

地壳中有的地方受到了成矿作用的影响，而有的地方则没有。从找矿角度出发，化探中将未受成矿作用影响的地区叫背景区（或称正常区）。
在背景区内各种天然物质（如岩石、土壤、水系沉积物、地表水、地下水、植物、空气等），各种地球化学指标（如元素和同位素的含量和比值、pH值、Eh值、温度等）的数值称地球化学背景值。
由于背景区内的各种天然物质，其地球化学指标一般具有不均匀性的特点，所以地球化学背景往往不是一个固定的数值，而是一定范围内起伏变化的一系列数值。
在地球化学找矿中，背景值的确定是十分重要的。它是划分异常区与背景区的基础，而仅仅用克拉克值尚不足以将两者区别开。为了说明这一问题，举例如下。

图2-6 我国华南地区各时代花岗岩的W，Sn，Be含量分布线

图2-6为华南地区不同时代花岗岩中Sn的平均含量值。该图显示，华南地区花岗岩中Sn的含量平均值即背景值，均高于全球花岗岩的平均含量值。假如事先工作者不了解华南地区不同时代花岗岩中Sn的含量分布特征，并未计算其背景值，那么，仅仅用全球花岗岩中Sn的含量平均值（3×10-6）作为区分异常区和背景区的标准，势必将Sn平均含量高于3×10-6的花岗岩体划作Sn的异常区。如图2-6所示，这样有可能将加里东晚期、印支期及燕山期的花岗岩体均作为Sn的异常区。事实上，这些时代的花岗岩体中的Sn含量尽管为酸性岩体中Sn的平均含量的几倍甚至十几倍，但仍然属于背景的范围。
如前所述，地球化学背景往往不是一个固定的数值，而是在一定范围内起伏的一系列数值。这个变化范围有一个最高值、一个最低值和一个平均值：①地球化学背景起伏变化的最高值称为背景上限；②地球化学背景起伏变化的最低值称为背景下限；③地球化学背景起伏变化的平均值称为背景值。
地球化学背景和背景值随研究范围的不同，有全球性的、地球化学省的、区域性的和局部性的（图2-7）。

图2-7 各种地球化学背景值