地球化学的学科性质和基本思想

地球化学的学科性质

和基本思想第一章地球化学进展课程一、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。（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。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。（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、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。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。（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。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。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，或者尚未完全跟上新的发展形势。这不利于我国地球化学跨越式地发展。（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。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。（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。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”（OrientationsInGeochemistry)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。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。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。（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：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、花岗质的地壳和发育的生命圈等而不同于其他行星。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。（3）方法论意义任何特定事物运动均需置于它所处的特定系统中来考查研究，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。

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），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。

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）；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。（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。3.地球叔层圈相互滥作用与物蒸质（再）喂循环的观位点（1）躬观点的我阐明地球形成砍初期，发案生物质分璃异形成了调地球的层谋圈结构后傅，由于各层羽圈在物质弦组成、能木量和热动青力状态方召面的差异史及同一层川圈内组成邮和能量的赖不均一性庄，尤其存求在着极高够温度的地蛋核，从而害使地球成垂了一个巨蚂大的动力俊学系统（词类似热机悉），必然奏导致层圈果的相互作碰用——物毒质和能量宣交换及动战量传递，服以及层圈裂内的物质泉和能量对劳流，推动唱着地球及满其层圈的搬发展和演裂化。这种地球旷动力学统趣系中的物虫质运动规测律，在寓疑于其中的雕不同形式量基础运动臂方面表现目是不同的惑。地球化帝学运动表圣现为层圈僵间的物质泼交换和循鲜环及层圈共内的物质极分异和演絮化；力学乞（构造）酬运动表现斩为层圈间治的动量传舱递与板块没的离散与享会聚;浅而地球物麻理运动则岭主要表现危为层圈间巷和层圈内哗的热传导蕉和热对流龄。(2)酿方法论意添义地球层圈吗相互作用蛇构成了一肿个完整的毒地球动力崭学系统。保所有地学这问题的研润究均应以颠地球层圈挑相互作用池的思想为恋指导。例卧如，现今死国际地球壮科学的两利大前沿领定域——全满球变化和愁大陆动力乐学研究，膜均是以层王圈相互作木用为指导列思想，以扶层圈间物稍质循环为拥方法手段悦。不同的冠只是：全球变化为研究涉及皂的是大气绢圈、水圈耽、生物圈专和岩石圈闷（即天、活地、生）浙的相互作滑用和物质萝循环；而效大陆动力后学研究涉骡及的是地提壳、地幔回和地核的立相互作用当与物质循屈环。4.地台球化学届演化的虹旋回性蒜和不可详逆性观队点(2)锤观点的钞阐明地球上同寻一地质现茧象和作用偿，诸如岩宿浆、沉积精、变质等始地质作用胁与造山运辟动等，在父各个地质塞时代和阶无段均有发聋生，表明仆在地球历将史中相同钉的地质事棕件可以重壤复出现，沫即发展具驾有旋回性视、循环性复或重现性杨。然而，考荷查证明类姑似的地质蛛事件随时愉间推移会怖发生质的颠变化，如靠岩浆作用弯仅在早前纽奉寒武纪形抢成科马提伙岩，以后亭则为玄武而岩；沉积笨铁矿类型腥早前寒武税纪为硅铁锅建造、震吃旦纪为鲕熄状赤铁矿填、显生宙留为湖相沉膏积铁矿；扰板块构造虑体制也只她大约出现婆于18亿评年以后，庙更接上早的构醉造体制看目前尚拒不清楚短。地球巷上的生根物则是丝式从无到项有、由泉低级向俗高级演蔬化，甚躺至突然独发生大失规模的康灭绝（昨灾变）荡。这体死现出地骡球和地校球化学身演化总烧体上的哄不可逆守性。所彼以地球落化学演足化具有销螺旋式皆上升发幕展规律拿。造成本规桥律的因素天主要为：（1）地共球和太阳稀放射性能记源随时间瘦的衰减（剑不可逆的敌）；（2）地魂球各层圈酬相互作用窑引起的层组圈组成和犁状态的变致化，尤其奴生物圈的狮发生、发堤展对大气镰圈、水圈技和岩石圈巴影响造成激的地球表吸层的环境闲变化（不杜可逆的）讽；（3）地球赤在银河系躁和太阳系孟中轨道运鹿行位置变倒化、速度弯的波动、股太阳亮度进变化、天喊体的陨落缎撞击等（防主要引起呀周期性重滚现，节律睁或灾变）拘。（2）卷方法论路意义进行地学她课题和地凉球化学演挤化研究时狱，应以旋构回-不可盆逆性观点召，或者发观展论和阶拴段论的思娃想为指导猎。根据循环装性或重现私性规律，则将今比古翻的研究原清则是可行掠的；然而蛙根据演化碎的不可逆穴性，则应沙注意这一城原则只适踪蝶用于地球垃历史的特稍定阶段。迈例如，注全意不要将昏板块构造化体制阶段滨发生的地片质事件的森特征和规沫律，机械岔地套用于迟前板块构绿造体制时旺期。重视地源球层圈索与各类老地质事触件在地糕球历史丢中化学堂演化规叠律的研赵究。四、地容学和地女球化学迈主体研宫究的反抱序性说明：除了现代郊地球表层敢正在进行督的物质运男动（含地外球化学运丽动）过程箭可以直接权观察外，唱绝大多数盲地学运动采过程（含斥地球化学踏运动）均紧不能直接引观察，并塘且绝大多拆数属于已靠完成或已咏结束了的寒过程。所以地衣学和地扭球化学维研究基像本是根侧据运动训过程的喜遗迹或禾记录追宿索运动竖过程及花其历史浓的科学法，即基鬼本采用划反序的认研究方核法。因此，后培养和总具备善是于取得泡和分析付运动记废录的能鼓力，这枕点是十泻分重要饶的。2.地球施化学记录地质运杂动的记悦录是：拢板块、撇地体、爱造山带皂、盆地夜、地层点、岩体击、岩带辟、矿带亭和矿床冒、岩石喝、矿物面等的结桥构、相哑互关系尼与时空贞序列，初以及地抬形地貌羡等。构造地质轰学研究力军学运动的逆记录是各掉类地质体蚊的变形及各其序次、密特征和组梯合等。古生物是旷根据化石看记录研究塌生物的进倘化。地球物理扒学依据各评类地质体杀的密度、瞧温度、磁坟学和电学吹等物理性联质，以及佳传导热、荒电和地震东波等的性匹能来探讨丛地球的结毙构和物理避学运动。那么什么辨是地球化椅学运动的笑记录？接上我们认为科地球化学裳运动的记淘录既应该浑包括各类忌地质体的盛化学和同恶位素组成帐，还应该仿包括地质凭体的岩石笑和矿物组妇成（各类阀化合物及孟其组合）雀、元素的香赋存形式去，各类化脱合物（岩验石、矿物纳）相互反泛应转化的絮关系与时恰空序列，滴以及各类丽地质事件茅所反映的陵物理化学只性质。因为，巨如果地所球化学信只将元玩素和同扮位素组侦成作为绪记录，赖则不仅已在野外处工作阶场段根本池无法进股行真正天意义的踪蝶地球化梨学观察立、建立露某些地资球化学现研究的嗓设想，雷而且还自会漏失笨大量有轻意义的兰地球化驴学信息万。这样研祸究的指劈燕导思想金实际上肺仅能是苏一般地脂质学思娱想，而夺非地球予化学思致想，因窗而必然存就会限谊制地球枝化学学著科潜力众与专长贿的充分洽发挥。现在需要烧解决的问冶题是如何涌在野外工史作阶段，钓能充分地瞒收集地球柄化学信息碌，建立起覆地球化学氧研究的工吩作假说，惰使地球化个学研究能测在野外和瓜室内连续苹一贯。(3)弟如何提痒高地球厉化学记叼录收集捆能力在这方面那我们的主轰要体会是盲：在地质尘观察基础壮上，只要袖善于应用家矿物化学却、岩石化涂学和地球崭化学知识斩及化学和父物理化学抱知识，赋阅予地质现眉象和事件丽以化学和娱物理化学鸡本质，就亦可获得丰塘富的地球疲化学信息念：由地质体暑的岩石和奋矿物组成智，就可知季地质体的筋主要化学漂组成，根剪据矿物中轧元素的类革质同象关呈系，还可己推知可能李会富集哪绩些微量元左素，以及要由地质体差基本化学根成分推知非它所具有由的物理化泼学作用，隐如根据石凳灰岩(C巩aCO3)属于护强碱弱吸酸盐类筐的性质搅,就可枕知它能霜起中和羡溶液酸酒性的碱循性地球寨化学障非的作用备，等等触。由岩石伙和矿物朝的交代识反应关责系，就兆可获得怨有关地剩球化学胡过程及斑其物理溉化学环股境的信症息。如冻由岩石造的黄铁滑绢接上英岩化百，就可岔知在交恼代过程搁中有大碗量碱金踩属和碱嗽土金属劈燕元素自松岩石带森出，交从代过程售属于酸汇性淋滤朽作用。游又如，宗在金属宇矿床氧群化带中厉见到方皱铅矿(络PbS舰)边缘橡部分被漂铅矾(滋PbS划O4)交代潜,后刷者又被团白铅矿戒(Pb浑CO3)交代承的环带苍构造，盐就可知冤S2-被氧化普为SO42-，而溶粒