地球化学课件专题0 - 绪论-2015-1

北京大学地球与空间科学学院地球化学研究所《地球化学》授课老师：

李

秋

根E-mail:qgli@PhoneMP)Room:新地学楼3508教学内容地球化学基本理论

元素分布与分配

元素结合规律

元素的迁移与分异地球化学基本方法理论

同位素地球化学原理

微量元素地球化学各圈层的地球化学（宇宙、地壳和地幔、海洋和大气圈、生物圈）分支地球化学介绍(矿床、岩石、地震、勘查、构造、农业等)教学内容绪论

（2学时）地球化学方法论2地球化学基本理论12地球化学基本方法16各圈层地球化学18分支地球化学简介6教学内容教学要求和目的掌握和理解《地球化学》的基本知识（有用、会用）；独立思考（能提出问题和建议、并试着解决问题）；不缺课不迟到（平时成绩（30%）：10%）；通过本课程学习，学生掌握地球化学的学科性质、基础知识、基本原理（basis）及研究方法（methods），了解地球化学在各个领域内的研究现状和发展趋势，初步建立地球化学思维（能将地球科学问题转化为地球化学问；能将地质学现象的感性推断转变为对地球化学规律的理性解读，key），为今后进一步学习和从事地球化学方面的研究打下良好的基础（aim）。教材及参考书教材:郑海飞编《普通地球化学》2007参考书：陈俊等编《地球化学》2004魏菊英等编《同位素地球化学》1988HoefsJ著（李剑等译）《稳定同位素地球化学》2012WhiteWM.Geochemistry.

2013.Allèger

CJ.

Isotope

Geology.

2008.Dickin

AP.

Radiogenic

Isotope

Geology

(Second

Edition).

2005教材及参考书教学方法

课堂授课（抽查（缺课、迟到，权重：~10%））：一学年5次被点名未到，无平时成绩；作业（权重：~10%）:5次作业，选择4次最高分平均作为平时作业成绩；平时测试（基本知识，权重：~10

%）：5次平时测试，选择4次最高分平均作为平时测试成绩；期中测验（基本知识，权重：~30

%）；期末考试（权重：~40

%），题型：概念、填空、选择、简答、论述等；时间：2016年元月4日上午形式：地球化学课程

（Powerpoint）；交流时间（OfficeHour）：周六上午9:30-11:30；目标:掌握和理解基本知识（学习效果，时间)。

地

球

化

学1838年瑞士化学家C.F.Schönbein（许拜恩）首次提出“地球化学”这个名词；并预见到这门学科的必要性和可能性，他说：“……在使描述地质学过渡到地质学以前，必须创立一门新学科，这就是地球化学。”

又说：“先有地球化学，然后才能谈正真的地质科学。”

可见，许拜恩领悟到用化学的观点、理论与方法分析、观察地球的必要性；尽管当时未能创立起这门学科。绪

论通过以前的地质科学的相关课程的学习，同学们在学习地球化学这门课时，自然而然会想到以下几个问题：1.地球化学到底是一门什么样的学科？(定义)2.它主要是研究什么的？（研究内容）3.它的主要特点是什么？（特点）

4.与地质科学其它学科的关系？(有何联系，有啥不同)

5.这门学科的发展历史和发展前景如何？（发展史）“绪论”将围绕这几个问题对《地球化学》学科作一概略介绍绪

论一、地球化学的定义二、地球化学的研究内容（研究对象和基本问题）三、地球化学学科特点及与其它学科的关系四、地球化学发展简史一、地球化学的定义经典地球化学家：1.F.W.克拉克（1908）认为地球化学是研究元素在地壳中的丰度问题；《DataofGeochemistry》2.前苏联维尔纳茨基（1922）：地球化学科学地研究化学元素，即应用地壳中元素分布和迁移的知识，发展了矿物成因及其历史方向。3.费尔斯曼（1922）提出类似定义：地球化学研究地壳中元素-原子的历史，及其在自然界的各种不同的热力学与物理化学条件下的行为。一、地球化学的定义经典地球化学家：4.戈尔德斯密特

（1933）把地球化学的研究范围扩大到整个地球，指出：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中的迁移。

地球化学的主要目的，一是要定量地确定地球及其各部分的成分；二是要探索控制元素分配的规律。一、地球化学的定义

从这些经典地球化学家给出的定义可以看出，20世纪初是地球化学打基础的时期，处于资料积累的阶段。

这一时期大量的工作是关于地壳和地壳不同部位，不同地质体中各种元素含量和分布的研究，在理论上则采用了晶体化学的成就和热力学原理来探讨矿物中元素的分配和结合规律。

因此，这一时期：地球化学的研究范围基本局限在人类可以直接观察的地壳内，而研究任务主要侧重于地壳中的原子和元素的化学行为。一、地球化学的定义近代地球化学家：1.魏德波尔（Wedepohl,1969,地球化学手册）：提出地球化学应研究整个地球中化学元素及其同位素分布的规律性。2.美国全国地球化学委员会《地球化学发展方向》编写组（1973）对当时地球化学主要领域的重要进展作了总结：地球化学是关于地球与太阳系的化学成分及化学演化的一门科学，它包括了对它做出过贡献的一切科学的化学方面。3.涂光炽（1985）简化概括：地球化学是研究地球（包括部分天体）的化学组成、化学作用和化学演化的科学。Tatsumi(2005)一、地球化学的定义

地球化学的定义：是研究地球（包括天体）的化学成分以及元素在其中的分布、分配、集中、分散、共生组合与迁移规律、演化历史的科学。二、地球化学内容1.研究对象：

地球（矿物、岩石、大气、水体、地壳、地幔、地核），太阳系（天体）；

一切物质都是由元素组成

为何要研究它们？具有量和质的双重性二、地球化学研究的内容2.地球化学研究的基本问题：1）地球系统中的元素、同位素组成（丰度、分布和分配）；2）元素的集中、分散及共生组合；3）元素的地球化学迁移；4）地球的历史与演化5）基础理论问题：元素起源，地球化学过程模拟实验，地球化学定量模型，物理化学、动力学、热力学理论研究等。

Hubert

L.Barnes：1950MIT地质学学士，1958年哥伦比亚大学经济地质学博士，卡内基研究所地球物理实验室博士后。《GeochemistryofhydrothermalOreDeposits》2001年彭罗斯金奖二、地球化学研究的内容

2.地球化学研究的基本问题：1)研究地球系统中元素和同位素的组成（1）地球化学研究的第一基本任务：化学成分和元素平均含量（丰度）；（2）丰度问题的解决是研究地球物质化学演化历史的基础。二、地球化学研究的内容

2.地球化学研究的基本问题：1)研究地球系统中元素和同位素的组成宇宙元素丰度丰度（abundance）：元素在地球及各层圈平均含量；

设任何一元素（i）在某一自然体（j）中的重量为Qij，该自然体的总重量为M，则该元素i在该自然体中的丰度值Aij定义为：Aij=Qij/M二、地球化学研究的内容2.研究内容：元素分布和分配都是有关元素含量的概念：

分布：指元素在各种宇宙或地质体（太阳、陨石、地球和地壳等）整体的总含量；

分配：指同一元素在该宇宙或地质体内部各个部分或区段中相对比的含量。二、地球化学研究的内容2.研究内容：元素分配的说明二、地球化学研究的内容2.研究内容：2）元素集中、分散、共生组合、迁移规律地球化学基本理论（元素的地球化学行为由元素的地球化学性质和地球化学条件决定）元素迁移受到所处环境制约，迁移的结果表现为：其共生组合规律在空间上重新分布，集中/分散。二、地球化学研究的内容2.研究内容：研究元素集中和分散二、地球化学研究的内容2.研究内容：研究迁移规律二、地球化学研究的内容2.研究内容：3）研究迁移规律Nesbitt(1989)二、地球化学研究的内容2.研究内容：3）研究迁移规律CohenandBowell(2014)二、地球化学研究的内容2.研究内容：4）演化历史了解过去，研究现在，预测将来（例：时间、地球内部温度、大气和海洋的组成、气候、资源形成随地球历史的变化）本质和过程研究：地球化学的优势。二、地球化学研究的内容2.研究内容：4）演化历史Cawood(2009)二、地球化学研究的内容2.研究内容：4）演化历史Tatsumi(2005)二、地球化学研究的内容2.研究内容：5）基础理论问题

元素起源，地球化学过程模拟实验，地球化学定量模型，物理化学、动力学、热力学理论研究等。三、地球化学学科特点及与其他学科的关系1）2）3）地球化学是研究地球物质成分的科学。方向拓展4）化学类基础学科是化学理论基础三、地球化学学科特点及与其他学科的关系

1、地球化学学科特点1）研究对象：地球、地壳、水圈、大气圈等及其地质作用，为地球科学的一部分；2）以化学等为基础，着重于化学运动和作用：观察元素/同位素，研究元素/同位素的含量和状态等以认识地球化学作用矿物岩石学：由结构构造了解成因（物源、条件、时代）矿床学：由结构构造了解成因（物源、条件、时代）构造地质学：由物理运动了解过程（变形样式、变形机制）古生物学：由形态获得信息

（生存环境）三、地球化学学科特点及与其他学科的关系

1、地球化学学科特点3）理论性与应用性理论性：

元素分布分配集中分散等，可以建立定量模型,因此可以进行预测

从化学角度查明过程、原因的理论问题仍有待深化应用性：

生态环境及其治理、农业生产的产量和质量等

矿产资源的勘探、开发

火山、地震预测等三、地球化学学科特点及与其他学科的关系

1、地球化学学科特点4）地球化学与有关学科密切结合和相互渗透，为综合性边缘学科：

可划分为三大领域：1）理论地球化学：与基础科学交叉结合形成的分支－地球化学的支撑

元素地球化学、同位素地球化学、地球化学热力学、地球化学动力学、有机地球化学、实验地球化学等；2）应用地球化学：与应用学科相结合－地球化学的社会功能

勘查地球化学、环境地球化学、农业地球化学、城市地球化学、医学健康地球化学、灾害地球化学等，3）地质作用地球化学：与地质学分支学科相结合的分支－传统地球化学

海洋地球化学、岩石地球化学、矿床地球化学、沉积地球化学、土壤地球化学、构造地球化学、地震地球化学等，目前已向地幔化学、宇宙化学方向拓展。三、地球化学学科特点及与其他学科的关系2.地球化学与研究地球物质成分的矿物学、岩石学、矿床学和化学的关系1）地球化学是研究元素和同位素在地球、地壳和地质体中演化活动的整个历史；而矿物学、岩石学、矿床学仅研究元素活动历史中的某个阶段；2）地球化学的是研究自然界，因此其形成条件具有空间上条件的不均一性，时间上单向演化和阶段性，体系的多组分、多变度和开放性；3）化学主要是在实验室中，它是人为控制的体系，可以任意调节T、P、PH、Eh、C和纯化杂质等，不需要研究分布这类问题。四、地球化学发展简史1、地球化学的发展1）资料积累阶段（萌芽时期）：19世纪2）独立成型时期（形成系统理论和独立方法时期）3）蓬勃发展时期：50年代－今四、地球化学发展简史

1）资料积累阶段（萌芽时期）：19世纪

19世纪，随着人类生产活动的需要：如找矿、采矿、选冶实践，以及地质学理论和原子理论的发展，地球化学资料和认识在矿物学和矿床学研究中迅速积累起来。瑞士化学家许拜恩(1838)就预见到这门学科的必要性和可能性，他说：“……在使描述地质学过渡到地质学以前，必须创立一门新学科，这就是地球化学”。提出“地球化学”的概念。

1835年四、地球化学发展简史

2）独立成型时期（形成系统理论和独立方法时期）

A、地球化学创建：

20世纪初，地球化学研究主要局限于对地壳、岩石和矿物中的化学成分进行分析统计整理；以1908年大陆地壳元素的平均含量克拉克值的提出为标准；代表性人物：地球化学先驱、经验统计方向的创始人：克拉克（1847-1931），美国地质调查所主任化学师(1884)；系统分析了世界各种岩石等样品，计算了地壳的平均成分(50种元素)；公认的地球化学经典著作《DataofGeochemistry》（1908）一书，标志着地球化学作为一门独立的学科形成。＊＊＊

勘查地球化学和分析地球化学四、地球化学发展简史

2）独立成型时期（形成系统理论和独立方法时期）

A、地球化学创建：

为了纪念Clarke：（A）国际地球化学学会设立F.W.

Clarke

Award（B）元素在地壳中的平均含量－称为克拉克值F.W.

Clarke

Award历年获奖名单HubertL.

Barnes四、地球化学发展简史

2）独立成型时期（形成系统理论和独立方法时期）

B、研究积累阶段：

20世纪20-30年代，元素的共生组合与迁移规律研究；以维尔纳斯基（1863-1945）的《地球化学概论》（1924）和费尔斯曼（1883-1945）的《地球化学》四卷集（1934-1939）为标志；维尔纳斯基发展了矿物成因及其历史的方向，对元素共生和迁移等问题作了诸多研究，并创立了生物地球化学（生物地球化学实验室，1929，《生物地球化学概论》，1940）和放射性元素地球化学分支；费尔斯曼（俄罗斯,1883-1945）在20世纪30年代对当时积累的大量地球化学资料进行了系统全面的理论总结，创立地球化学过程能量分析的原理和方法,于1940年完成专著《地球化学及矿物学找矿方法》，于1912年开设《地球化学课程》。总之，他们特别强调研究元素的原子在地壳各种物理化学条件下迁移运动的历史，也就是研究原子的自然历史方向，＊＊＊历史地球化学。四、地球化学发展简史

2）独立成型时期（形成系统理论和独立方法时期）

C、理论奠基阶段：

戈尔德施密特（挪威），着重应用原子和离子半径以及极化效应从微观尺度上研究矿物、岩石中元素的分配规律，提出晶体化学定律（1933），为地球化学研究创造了晶体化学方向，并拟定了元素地球化学分类；在他去世后，部分成果由繆尔（A.Muir,1954）编辑成专著《地球化学》，被公认为经典的地球化学著作；鲍温，开创的以热力学理论阐述元素的结合分配规律，实验岩石学－实验地球化学。奠定了地球化学的理论基础

＊＊＊理论地球化学四、地球化学发展简史3）蓬勃发展时期：50年代－今

A、微量元素和同位素地球化学迅速发展阶段

20世纪60-70年代，海底扩张获得洋壳同位素测年工作的支持，使板块构造理论为人们普遍认同，推动了地质学和地球化学的快速发展；地球化学的发展集中体现在两个方面：一是元素分配系数理论成熟；二是Rb-Sr,

Sm-Nd,U-Pb,

Re-Os等反射性同位素测年和同位素示踪理论体系形成；发现地幔组成的不均一性、陆壳物质的再循环、热点－地幔柱理论不断完善。四、地球化学发展简史3）蓬勃发展时期：50年代－今

B、与海洋科学、环境科学、天文学、物理学、生物学等相互渗透和结合产生了许多重要的分支学科实验地球化学环境地球化学有机地球化学矿床地球化学生物地球化学海洋地球化学构造地球化学农业地球化学医学健康地球化学灾害地球化学等四、地球化学发展简史3）蓬勃发展时期：50年代－今

C、矿物微区原位同位素和微量元素测试技术的突破带来地球化学的全面发展20世纪90年代以来，激光Ar-Ar矿物微区测年，锆石微区测年、独居石化学法测年、矿物微区原位同位素和微量元素测试技术的突破，正为地球科学的发展孕育着一次新的革命。辉石硅钛铈矿四、地球化学发展简史3）蓬勃发展时期：50年代－今

D、本世纪地球化学发展趋势由经验性研究向理论化发展：地球化学已将地壳、地幔中化学作用的研究与模拟实验相结合；不断引入相关学科的新理论、方法和技术，向定量化研究发展；矿物微区微量元素和同位素测试将促进元素分配理论的完善和创新，修正和发展已有地球化学理论；在边缘和交叉学科领域中发现重要地球化学事件，创新地球化学理论体系；环境地球化学、生态地球化学、医学健康地球化学和灾害地球化学将进入资料快速积累和理论发展阶段。四、地球化学发展简史3）蓬勃发展时期：50年代－今

E、国际地球化学的主要学术机构和刊物GeochemicaetCosmochimicaActa（GCA，地球化学与宇宙化学学报：国际地球化学和宇宙化学学会）；AppliedGeochemistry（应用地球化学，国际地球化学和宇宙化学学会）；EarthandPlanetaryScienceLetters（地球和行星科学通讯）；ChemicalGeology（化学地质，欧洲地球化学学会）；GeochemicalJournal（日本地球化学学会）GeochemistryGeophysicsGeosystems（地球化学，地球物理，地球系统）；JournalofGeochemicalExploration

（地球化学勘查杂志）；Geochemistry：Exploration／Environment／Analysis（国际勘查地球化学协会）ReviewsinMineralogyandGeochemistry四、地球化学发展简史

2、我国地球化学的发展

1）对我国地球化学有影响的人物：侯德封（1900-1980）：1923毕业于北京大学

最早将地球化学方法和概念等引入我国地质和找矿工作中；提出地层地球化学、化学地史、化学地理的概念，创立了“核子地质学”曾任中科院地质研究所（1951-1980）和地球化学研究所（1968-1980）所长1958年任中国科学技术大学地球化学系系主任1955年中国科学院学部委员侯德封奖：1983设立(35岁,06年改为40岁)四、地球化学发展简史

2、我国地球化学的发展

1）对我国地球化学有影响的人物：涂光炽（中国科学院院士，1920-2007）：1944年毕业于西南联合大学地质地理气象学系1949年获：明尼苏达大学博士学位在中国最早讲授：地球化学课程（1950-1951，清华大学）曾任：中国科学院地质研究所（1960-1965）和地球化学研究所所长（1966-1987？）1980年中国科学院学部委员组织和参与：“中国层控矿床地球化学”等课题的研究四、地球化学发展简史

2、我国地球化学的发展

1）对我国地球化学有影响的人物：司幼东（1920-1968）：1942年毕业于北京大学地质系；1955年获：莫斯科地质勘探学院地质矿物学副博士学位中国实验地球化学的奠基人，1956年指导和建立了中国第一个成矿实验室（中国科学院地质研究所），专门研究我国的稀有元素地球化学，进行了Sn、Nb、Ta等配合物的成矿实验，提出酸碱分离与成矿作用的关系，在我国尤其在华南花岗岩地区的找矿工作中起到了显著重要，为我国Be、Li、Nb、Ta等矿产资源的勘查做出了贡献。四、地球化学发展简史

2、我国地球化学的发展

1）对我国地球化学有影响的人物：欧阳自远（1991中国科学院院士，1935-）：北京地质学院勘探系(1956毕业),矿床专业研究生(1957-1960)曾任：中科院地球化学研究所所长（1988-1993）天体化学家《天体化学》(1988)我国探月首席科学家（2006.2.25）四、地球化学发展简史

2、我国地球化学的发展

1）对我国地球化学有影响的人物：张本仁（中国科学院院士，1999）：1952年南京大学毕业，1956年北京地质学院研究生毕业区域地球化学《地球化学》,1979於崇文（中国科学院院士，1995）：1950年毕业于北京大学地质系《地质系统的复杂性》，2003非平衡热力学等四、地球化学发展简史

2、我国地球化学的发展

1）对我国地球化学有影响的人物：北京大学：魏菊英：《地球化学》(1986)、《同位素地球化学》（1987）曾贻善：《实验地球化学》(1987,2003)郑淑蕙：《稳定同位素地球化学分析》（1986）牟保磊：《元素地球化学》（1999）南京大学：刘英俊：《地球化学》、《元素地球化学》、

《钨的地球化学》、《勘察地球化学》中国科学技术大学黎彤：《地球和地壳的化学元素丰度》四、地球化学发展简史

2、我国地球化学的发展

2）我国开设地球化学专业北京大学（1956），南京大学（1956），中国科技大学（1958），中国地质大学，兰州大学，西北大学，浙江大学，长安大学，中国石油大学，中国矿业大学，长江大学，长春地质学院(吉林大学)，成都理工大学，桂林冶金地质学院(桂林理工大学)，昆明理工大学，西南石油大学，东北石油大学，东华理工大学四、地球化学发展简史

2、我国地球化学的发展

3）我国的地球化学刊物《地球化学》，1972(编辑部:广州)ChineseJournalofGeochemistry,1982(编辑部:贵阳)《地质地球化学》，1973(编辑部:贵阳)《矿物岩石地球化学通报》1982(编辑部