地球化学的学科性质和基本思想

1、地球化学的学科性质和基本思想第1页，共33页，2022年，5月20日，10点55分，星期二一、地球化学的学科性质（一）各种说法例举：地学与化学杂交的边缘学科，研究地球物质成分的学科，地学中的研究元素和同位素的微观学科，地质构造研究运动，地球化学研究物质，矿物学、岩石学和地球化学是同一类学科。 总之，众说纷纭，共同特征是：只从表面看问题，将物质和运动分离，对宏观和微观学说划分不严谨，没有抓到地球化学的学科本质。第2页，共33页，2022年，5月20日，10点55分，星期二（二）由地球系统物质运动特性看地球科学和地球化学学科本质恩格斯提出按学科所研究的物质运动类型进行学科分类的原则，至今仍然有效。

2、当年由于地质学（研究固体地球的地学学科）还处于完全描述阶段，看不清地质物质运动的特性，故恩格斯未对地质学作分类属性的论述。现今地球科学的发展已有可能鉴别出地球系统物质运动（含地质运动）的特性是：力学（机械）、化学、物理学及生物学四种基础形式运动相互作用和相互制约的综合复杂高级运动。类似生命运动为力学、化学、物理学基础形式运动相互作用和相互制约的复杂高级运动。第3页，共33页，2022年，5月20日，10点55分，星期二（三）地球科学中的两大类学科 按所研究物质运动的特征看，地球科学中存在两大类学科：研究地球及其子系统物质综合复杂运动的学科： 二级学科：地质学（固体地球学科）、大气科学、海洋科学

3、、地理学。 地质学下属的三级学科：矿物学、岩石学、地层学、构造地质学、地层学、地貌学、古生物学、矿床学、大地构造学等。 此类学科（除构造地质学外），不管体系大小其中的物质运动均为含有多种基础运动的综合复杂运动，连小到矿物形成的小体系都不例外，均需多种第二类的学科研究的支撑。第4页，共33页，2022年，5月20日，10点55分，星期二接上2. 专门从事寓于地球物质运动中的某种基础形式运动的学科 力学类：构造地质学（固体地球力学）、岩石圈动力学（尚待建立）、大气动力学、海洋动力学等。分别为地质学、大气科学和海洋科学的三级学科。 化学：地球化学（地球科学的二级学科，涉及固、液、气地球部分）。 物理

4、学：地球物理学（地球科学的二级学科，涉及固、液、气地球部分）。 生物学：研究地球系统生物作用的的学科，尚未形成独立学科，但其内容有些已含于其他学科中：如地球化学中的生物地球化学，矿床学中的生物和有机质成矿作用，地质和海洋中的微生物作用等。 这一类学科均为前一类学的的基础或支撑学科。第5页，共33页，2022年，5月20日，10点55分，星期二（四）地球化学在地球科学发展中的意义地球化学专司研究寓于地球物质运动中的化学形式基础运动，而地球及其各级子系统物质运动中均含有化学运动、并且这种化学运动还处于同各该体系中的力学、物理学等形式运动的相互作用和相互制约的状态。因此，地球化学应能参与地球科学各个

5、领域的研究，并至少与研究地球物质力学运动和物理学运动的学科研究是等效的。由生物化学推动现代生物学发展的重大作用看，可能地球化学将在地球科学发展中起更大一些的作用。在当代地球科学的两大前沿领域全球变化和大陆动力学研究中，地球化学已经成为重要支撑学科之一，就足以说明地球化学在地球科学中的意义和地位。第6页，共33页，2022年，5月20日，10点55分，星期二接上国际知名的地球化学和宇宙化学家尤里（Urey)早就指出：“了解太阳系的形成不仅是一个力学的问题，同时也是个化学的问题。力学控制着行星体的复杂运动，而化学使之千差万别、变幻莫测”。世界著名地球化学家阿莱格尔（C.J. Allegre）则更明

6、确地说：“了解太阳系的形成，必须把牛顿的理论与门捷列夫的理论结合起来”。由此可见地球化学和宇宙化学在研究地球、太阳系和宇宙成因方面的重要学术意义。第7页，共33页，2022年，5月20日，10点55分，星期二二、地球化学基本思想和任务的发展 任何学科在发展的不同阶段都有它的特定研究对象和研究范围。它们由所要研究和解决的问题所决定。地球化学自20世纪70年代初发生了由发展的第一阶段向发展的第二阶段的转变，表现为地球化学基本思想、研究对象、研究层次和研究范围均发生了重大突变，促使地球化学更迅猛地发展。然而，迄今在我国地学界甚至地球化学界，还有不少人对地球化学的基本认识还处于滞后状态，或者尚未完全跟

7、上新的发展形势。这不利于我国地球化学跨越式地发展。第8页，共33页，2022年，5月20日，10点55分，星期二（一）地球化学发展第一阶段的基本思想和研究范围地球化学发展的第一阶段是自20世纪初建立发展至60年代末的这一时期。20世纪初随着大量岩层、岩石、矿物以及陨石等化学分析数据的积累，揭示出化学元素在地壳、不同岩石和矿物及不同类型陨石等中是有规律地分布和分配的，地球化学就应阐明元素在地壳及其组成岩石和矿物中的分布和分配规律的需要，而萌生成长的。随之，人类对矿产资源日益增长的需求，又促进地球化学发展了地壳中元素集中、分散和迁移理论，以便更深入地研究矿产和岩石等形成规律，提供更有效的找矿方法。

8、因此这一阶段的地球化学就以“元素原子自然历史”的基本思想为特征，地球化学的研究范围也主要就是元素在地壳中的分布、分配、集中、分散及迁移历史，对象基本是地壳中的元素原子。第9页，共33页，2022年，5月20日，10点55分，星期二（二）现阶段地球化学的基本思想、研究对象和研究层次1. 地球化学进入新发展阶段的背景：上世纪60年代中现代板块构造学说兴起，引起了地学界的思想革命，使之首次真正能从全球甚至太阳系和宇宙的视野来思考研究地学问题。板块学说本身的深入研究和论证，就涉及壳/幔相互作用、洋/陆相互作用、地幔对流和动力学等层次的问题。此外，工业发展带来的环境恶化问题，如全球变暖，也涉及大气圈、水

9、圈、生物圈和岩石圈相互作用和物质循环问题。这些问题都要求地球化学参与研究。地球化学本身发展了微量元素和同位素示踪等研究地球深部组成和过程以及地球层圈演化的理论和方法，也具备了参与地球及其层圈这一层次问题研究的可能。第10页，共33页，2022年，5月20日，10点55分，星期二2.现阶段地球化学的基本思想与研究对象1973年，美国国家科学院地球化学定位小组在“地球化学定位”（Orientations In Geochemistry)一书中关于地球化学的定义表述为：“地球化学是涉及地球和太阳系的化学成分和化学演化的的科学领域，它包括所有对其做出贡献的学科的化学方面”，“亦即探索地球和行星演化的全

10、部化学就是地球化学。”可见地球化学这种定位已经更为接近地球化学专司研究寓于地球物质运动中的化学形式运动的学科本质。地球化学的研究对象和研究范围已由化学元素及其在地壳中的行为和迁移历史扩宽至地球及其层圈的化学组成、化学作用和化学演化；并由地壳元素原子层次为主 上升到地球及其层圈甚至行星和太阳系化学的层次。第11页，共33页，2022年，5月20日，10点55分，星期二续前虽然现阶段的地球化学仍需有关于元素自然化学行为和迁移历史研究部分，但其内涵与目的已同上阶段有所不同。其表现为：1）研究已由地壳中的元素行为和历史扩宽到元素在各地圈中的行为及在各地圈间的循环历史。2）除在与元素行为和迁移历史直接有

11、关的成矿作用和环境污染等研究方面，原来研究元素集中、分散和迁移的思路和方法仍然有效外，现阶段元素（更 多情况下元素组合和同位素系统组合）自然行为和活动规律研究，只是作为一种揭示地球化学作用机制和特征、层圈相互作用过程和层圈化学演化历史的手段在进行，而不是作为原来意义的研究目的。3）由于固体地球层圈之间或之内物质和能量交换及动能传递，主要是通过岩浆、沉积、和变质等作用进行的，因此强调这些作用化学过程、化学机制及其中元素和同位素行为的研究，以利于地球及其层圈的化学演化的探索。第12页，共33页，2022年，5月20日，10点55分，星期二三、地球化学的基本观点与方法论 在地球化学教学和书籍中很少见

12、到有关地球化学方法论的专门论述。这种情况非常不利于培养学生地球化学研究的思路和能力。然而，在许多地球化学巨匠的著作和论文中，不乏潜藏着的闪光的思想和深刻的哲理。总结现代地球科学和地球化学已经取得的成就及其基本思想，可以提出以下地球化学研究的基本指导思想和方法论，共同学们参考和借鉴。第13页，共33页，2022年，5月20日，10点55分，星期二（一）地球物质客体运动的基本规律 地球物质客体运动的基本规律反映的不是个别的、具体的地球物质运动的规律，而是概括地球物质客体整体为对象的一般运动规律。关于地球物质运动及寓于其中的各类基础形式运动的基本规律的认识或观点，具有指导地球科学及其各学科研究的认识

13、论和方法论意义。现今有关地球化学运动基本规律的认识或观点主要有：第14页，共33页，2022年，5月20日，10点55分，星期二1.地球化学系统观点及其方法论意义（1）地球物质客体，同任何事物一样，均以系统的方式而存在，并在自身的内在矛盾运动中及与环境的相互作用中而发展。这里的系统律特别强调系统（体系）的组成、结构与状态制约着其中物质运动特性与物质的行为，即离开特定的系统谈不上物质和运动的具体行为与特性。（2）规律的阐明： 地球作为太阳系的一个子系统，有较小适中的体积，在太阳系中的轨道使地表温度有利于水的大量存在，这决定着生物圈的出现与发展，最终导致地球以具有含自由氧的大气圈、花岗质的地壳和发

14、育的生命圈等而不同于其他行星。第15页，共33页，2022年，5月20日，10点55分，星期二接上地球系统中不同元素分别显示出对氧、硫或铁的明显亲和性，而不同于人为系统，这首先取决于地球系统中各种阳离子元素原子总数大大多于阴离子氧和硫原子的总数，使化学反应抑制法则发生了作用。碳元素在无机、有机和生命系统中的行为完全不同，就好象是不同的元素。不同区域壳、幔组成和状态的差异，决定着各该区域岩石和矿产特征和类型的不同。表生系统与内生系统性质和状态不同，其中化学过程与元素行为也差异较大。第16页，共33页，2022年，5月20日，10点55分，星期二（3）方法论意义任何特定事物运动均需置于它所处的特定

15、系统中来考查研究，以系统的特性来约束事物的性质与行为。 系统均具有结构性和层次性，研究低一层次结构部分（系统的子系统），需要以高一层次系统的特征来约束。 地球科学应用力学、物理学和化学原理于地球系统时均需按地球系统的特殊性加以修正、甚至改造和发展。所以才需要建立构造地质学、地球物理学、地球化学等。 第17页，共33页，2022年，5月20日，10点55分，星期二2.寓于地球物质运动中的化学、力学（机械）、物理学和生物学形式的运动相互依存、相互制约和相互转化的观点 （1） 观点的阐明 板块聚会带洋壳板片向大陆之下的俯冲，主要是构造（力学）运动，然而，随洋壳板片的下插，温压就会不断升高（物理场变化

16、），从而导致洋壳板片脱水和变质（化学反应），如有远洋沉积物随洋壳俯冲，则其中所含的生物遗体有机分子就会发生降解作用（生物或有机化学反应）。这既可说明力学、物理、化学和生物形式运动的相互依存和相互制约的关系，又显示了构造（力学）运动驱动了（或转化出）物理学和化学运动。第18页，共33页，2022年，5月20日，10点55分，星期二接上 然而，洋壳俯冲这一构造（力学）运动却是由物理-化学运动驱动的。按板块构造学说，洋壳俯冲是受：（1）由地幔对流引起的海底扩张及（2）冷的较致密的镁铁质洋壳的下沉和拖曳驱动的。地幔对流则是由地幔温压的不均一所致（物理因素）、后者则与放射性元素分布不均有关（化学因素）；

17、高温低密度流体上升、冷的高密度物质下降（物理过程），镁铁质岩石密度大于长英质岩石（化学因素），表明物理-化学运动驱动了构造（力学）运动，所以不同形式的运动是相互驱动或转化的。第19页，共33页，2022年，5月20日，10点55分，星期二（2）方法论意义研究和解决任何地学问题均需由各种形式基础运动或侧面进行综合分析，并应在此认识高度上，处理好多学科研究过程中学科之间的关系。 对地学问题开展地球化学学科研究时，必须自觉地以其他学科获得的客观资料、规律与成果，约束本学科的构思。 应善于将地学问题剖析为地球化学学科性质的问题来研究，以发挥地球化学科的专长和优势。 第20页，共33页，2022年，5月

18、20日，10点55分，星期二3.地球层圈相互作用与物质（再）循环的观点（1）观点的阐明 地球形成初期，发生物质分异形成了地球的层圈结构后，由于各层圈在物质组成、能量和热动力状态方面的差异及同一层圈内组成和能量的不均一性，尤其存在着极高温度的地核，从而使地球成了一个巨大的动力学系统（类似热机），必然导致层圈的相互作用物质和能量交换及动量传递，以及层圈内的物质和能量对流，推动着地球及其层圈的发展和演化。这种地球动力学统系中的物质运动规律，在寓于其中的不同形式基础运动方面表现是不同的。地球化学运动表现为层圈间的物质交换和循环及层圈内的物质分异和演化；力学（构造）运动表现为层圈间的动量传递与板块的离散

19、与会聚 ;而地球物理运动则主要表现为层圈间和层圈内的热传导和热对流。第21页，共33页，2022年，5月20日，10点55分，星期二(2) 方法论意义 地球层圈相互作用构成了一个完整的地球动力学系统。所有地学问题的研究均应以地球层圈相互作用的思想为指导。例如，现今国际地球科学的两大前沿领域全球变化和大陆动力学研究，均是以层圈相互作用为指导思想，以层圈间物质循环为方法手段。不同的只是：全球变化研究涉及的是大气圈、水圈、生物圈和岩石圈（即天、地、生）的相互作用和物质循环；而大陆动力学研究涉及的是地壳、地幔和地核的相互作用与物质循环。第22页，共33页，2022年，5月20日，10点55分，星期二4

20、.地球化学演化的旋回性和不可逆性观点(2)观点的阐明地球上同一地质现象和作用，诸如岩浆、沉积、变质等地质作用与造山运动等，在各个地质时代和阶段均有发生，表明在地球历史中相同的地质事件可以重复出现，即发展具有旋回性、循环性或重现性。然而，考查证明类似的地质事件随时间推移会发生质的变化，如岩浆作用仅在早前寒武纪形成科马提岩，以后则为玄武岩；沉积铁矿类型早前寒武纪为硅铁建造、震旦纪为鲕状赤铁矿、显生宙为湖相沉积铁矿；板块构造体制也只大约出现于18亿年以后，更第23页，共33页，2022年，5月20日，10点55分，星期二接上 早的构造体制目前尚不清楚。地球上的生物则是从无到有、由低级向高级演化，甚至

21、突然发生大规模的灭绝（灾变）。这体现出地球和地球化学演化总体上的不可逆性。所以地球化学演化具有螺旋式上升发展规律。造成本规律的因素主要为：（1）地球和太阳放射性能源随时间的衰减（不可逆的）；（2）地球各层圈相互作用引起的层圈组成和状态的变化，尤其生物圈的发生、发展对大气圈、水圈和岩石圈影响造成的地球表层的环境变化（不可逆的）；（3）地球在银河系和太阳系中轨道运行位置变化、速度的波动、太阳亮度变化、天体的陨落撞击等（主要引起周期性重现，节律或灾变）。第24页，共33页，2022年，5月20日，10点55分，星期二（2）方法论意义进行地学课题和地球化学演化研究时，应以旋回-不可逆性观点，或者发展论

22、和阶段论的思想为指导。 根据循环性或重现性规律，将今比古的研究原则是可行的；然而根据演化的不可逆性，则应注意这一原则只适用于地球历史的特定阶段。例如，注意不要将板块构造体制阶段发生的地质事件的特征和规律，机械地套用于前板块构造体制时期。 重视地球层圈与各类地质事件在地球历史中化学演化规律的研究。 第25页，共33页，2022年，5月20日，10点55分，星期二四、地学和地球化学主体研究的反序性说明： 除了现代地球表层正在进行的物质运动（含地球化学运动）过程可以直接观察外，绝大多数地学运动过程（含地球化学运动）均不能直接观察，并且绝大多数属于已完成或已结束了的过程。所以地学和地球化学研究基本是根

23、据运动过程的遗迹或记录追索运动过程及其历史的科学，即基本采用反序的研究方法。因此，培养和具备善于取得和分析运动记录的能力，这点是十分重要的。第26页，共33页，2022年，5月20日，10点55分，星期二2.地球化学记录地质运动的记录是：板块、地体、造山带、盆地、地层、岩体、岩带、矿带和矿床、岩石、矿物等的结构、相互关系与时空序列，以及地形地貌等。构造地质学研究力学运动的记录是各类地质体的变形及其序次、特征和组合等。古生物是根据化石记录研究生物的进化。地球物理学依据各类地质体的密度、温度、磁学和电学等物理性质，以及传导热、电和地震波等的性能来探讨地球的结构和物理学运动。那么什么是地球化学运动的

24、记录？第27页，共33页，2022年，5月20日，10点55分，星期二接上我们认为地球化学运动的记录既应该包括各类地质体的化学和同位素组成，还应该包括地质体的岩石和矿物组成（各类化合物及其组合）、元素的赋存形式，各类化合物（岩石、矿物）相互反应转化的关系与时空序列，以及各类地质事件所反映的物理化学性质。因为，如果地球化学只将元素和同位素组成作为记录，则不仅在野外工作阶段根本无法进行真正意义的地球化学观察、建立某些地球化学研究的设想，而且还会漏失大量有意义的地球化学信息。这样研究的指导思想实际上仅能是一般地质学思想，而非地球化学思想，因而必然就会限制地球化学学科潜力与专长的充分发挥。现在需要解决

25、的问题是如何在野外工作阶段，能充分地收集地球化学信息，建立起地球化学研究的工作假说，使地球化学研究能在野外和室内连续一贯。第28页，共33页，2022年，5月20日，10点55分，星期二(3)如何提高地球化学记录收集能力 在这方面我们的主要体会是：在地质观察基础上，只要善于应用矿物化学、岩石化学和地球化学知识及化学和物理化学知识，赋予地质现象和事件以化学和物理化学本质，就可获得丰富的地球化学信息：由地质体的岩石和矿物组成，就可知地质体的主要化学组成，根据矿物中元素的类质同象关系，还可推知可能会富集哪些微量元素，以及由地质体基本化学成分推知它所具有的物理化学作用，如根据石灰岩(CaCO3)属于强碱弱酸盐类的性质,就可知它能起中和溶液酸性的碱性地球化学障的作用，等等。由岩石和矿物的交代反应关系，就