地球化學的學科性質(zhì)和基本思想

1、地球化學的學科性質(zhì)和基本思想第1頁，共33頁，2022年，5月20日，10點55分，星期二一、地球化學的學科性質(zhì)（一）各種說法例舉：地學與化學雜交的邊緣學科，研究地球物質(zhì)成分的學科，地學中的研究元素和同位素的微觀學科，地質(zhì)構造研究運動，地球化學研究物質(zhì)，礦物學、巖石學和地球化學是同一類學科。 總之，眾說紛紜，共同特征是：只從表面看問題，將物質(zhì)和運動分離，對宏觀和微觀學說劃分不嚴謹，沒有抓到地球化學的學科本質(zhì)。第2頁，共33頁，2022年，5月20日，10點55分，星期二（二）由地球系統(tǒng)物質(zhì)運動特性看地球科學和地球化學學科本質(zhì)恩格斯提出按學科所研究的物質(zhì)運動類型進行學科分類的原則，至今仍然有效。

2、當年由于地質(zhì)學（研究固體地球的地學學科）還處于完全描述階段，看不清地質(zhì)物質(zhì)運動的特性，故恩格斯未對地質(zhì)學作分類屬性的論述?，F(xiàn)今地球科學的發(fā)展已有可能鑒別出地球系統(tǒng)物質(zhì)運動（含地質(zhì)運動）的特性是：力學（機械）、化學、物理學及生物學四種基礎形式運動相互作用和相互制約的綜合復雜高級運動。類似生命運動為力學、化學、物理學基礎形式運動相互作用和相互制約的復雜高級運動。第3頁，共33頁，2022年，5月20日，10點55分，星期二（三）地球科學中的兩大類學科 按所研究物質(zhì)運動的特征看，地球科學中存在兩大類學科：研究地球及其子系統(tǒng)物質(zhì)綜合復雜運動的學科： 二級學科：地質(zhì)學（固體地球?qū)W科）、大氣科學、海洋科學

3、、地理學。 地質(zhì)學下屬的三級學科：礦物學、巖石學、地層學、構造地質(zhì)學、地層學、地貌學、古生物學、礦床學、大地構造學等。 此類學科（除構造地質(zhì)學外），不管體系大小其中的物質(zhì)運動均為含有多種基礎運動的綜合復雜運動，連小到礦物形成的小體系都不例外，均需多種第二類的學科研究的支撐。第4頁，共33頁，2022年，5月20日，10點55分，星期二接上2. 專門從事寓于地球物質(zhì)運動中的某種基礎形式運動的學科 力學類：構造地質(zhì)學（固體地球力學）、巖石圈動力學（尚待建立）、大氣動力學、海洋動力學等。分別為地質(zhì)學、大氣科學和海洋科學的三級學科。 化學：地球化學（地球科學的二級學科，涉及固、液、氣地球部分）。 物理

4、學：地球物理學（地球科學的二級學科，涉及固、液、氣地球部分）。 生物學：研究地球系統(tǒng)生物作用的的學科，尚未形成獨立學科，但其內(nèi)容有些已含于其他學科中：如地球化學中的生物地球化學，礦床學中的生物和有機質(zhì)成礦作用，地質(zhì)和海洋中的微生物作用等。 這一類學科均為前一類學的的基礎或支撐學科。第5頁，共33頁，2022年，5月20日，10點55分，星期二（四）地球化學在地球科學發(fā)展中的意義地球化學專司研究寓于地球物質(zhì)運動中的化學形式基礎運動，而地球及其各級子系統(tǒng)物質(zhì)運動中均含有化學運動、并且這種化學運動還處于同各該體系中的力學、物理學等形式運動的相互作用和相互制約的狀態(tài)。因此，地球化學應能參與地球科學各個

5、領域的研究，并至少與研究地球物質(zhì)力學運動和物理學運動的學科研究是等效的。由生物化學推動現(xiàn)代生物學發(fā)展的重大作用看，可能地球化學將在地球科學發(fā)展中起更大一些的作用。在當代地球科學的兩大前沿領域全球變化和大陸動力學研究中，地球化學已經(jīng)成為重要支撐學科之一，就足以說明地球化學在地球科學中的意義和地位。第6頁，共33頁，2022年，5月20日，10點55分，星期二接上國際知名的地球化學和宇宙化學家尤里（Urey)早就指出：“了解太陽系的形成不僅是一個力學的問題，同時也是個化學的問題。力學控制著行星體的復雜運動，而化學使之千差萬別、變幻莫測”。世界著名地球化學家阿萊格爾（C.J. Allegre）則更明

6、確地說：“了解太陽系的形成，必須把牛頓的理論與門捷列夫的理論結合起來”。由此可見地球化學和宇宙化學在研究地球、太陽系和宇宙成因方面的重要學術意義。第7頁，共33頁，2022年，5月20日，10點55分，星期二二、地球化學基本思想和任務的發(fā)展 任何學科在發(fā)展的不同階段都有它的特定研究對象和研究范圍。它們由所要研究和解決的問題所決定。地球化學自20世紀70年代初發(fā)生了由發(fā)展的第一階段向發(fā)展的第二階段的轉(zhuǎn)變，表現(xiàn)為地球化學基本思想、研究對象、研究層次和研究范圍均發(fā)生了重大突變，促使地球化學更迅猛地發(fā)展。然而，迄今在我國地學界甚至地球化學界，還有不少人對地球化學的基本認識還處于滯后狀態(tài)，或者尚未完全跟

7、上新的發(fā)展形勢。這不利于我國地球化學跨越式地發(fā)展。第8頁，共33頁，2022年，5月20日，10點55分，星期二（一）地球化學發(fā)展第一階段的基本思想和研究范圍地球化學發(fā)展的第一階段是自20世紀初建立發(fā)展至60年代末的這一時期。20世紀初隨著大量巖層、巖石、礦物以及隕石等化學分析數(shù)據(jù)的積累，揭示出化學元素在地殼、不同巖石和礦物及不同類型隕石等中是有規(guī)律地分布和分配的，地球化學就應闡明元素在地殼及其組成巖石和礦物中的分布和分配規(guī)律的需要，而萌生成長的。隨之，人類對礦產(chǎn)資源日益增長的需求，又促進地球化學發(fā)展了地殼中元素集中、分散和遷移理論，以便更深入地研究礦產(chǎn)和巖石等形成規(guī)律，提供更有效的找礦方法。

8、因此這一階段的地球化學就以“元素原子自然歷史”的基本思想為特征，地球化學的研究范圍也主要就是元素在地殼中的分布、分配、集中、分散及遷移歷史，對象基本是地殼中的元素原子。第9頁，共33頁，2022年，5月20日，10點55分，星期二（二）現(xiàn)階段地球化學的基本思想、研究對象和研究層次1. 地球化學進入新發(fā)展階段的背景：上世紀60年代中現(xiàn)代板塊構造學說興起，引起了地學界的思想革命，使之首次真正能從全球甚至太陽系和宇宙的視野來思考研究地學問題。板塊學說本身的深入研究和論證，就涉及殼/幔相互作用、洋/陸相互作用、地幔對流和動力學等層次的問題。此外，工業(yè)發(fā)展帶來的環(huán)境惡化問題，如全球變暖，也涉及大氣圈、水

9、圈、生物圈和巖石圈相互作用和物質(zhì)循環(huán)問題。這些問題都要求地球化學參與研究。地球化學本身發(fā)展了微量元素和同位素示蹤等研究地球深部組成和過程以及地球?qū)尤ρ莼睦碚摵头椒?，也具備了參與地球及其層圈這一層次問題研究的可能。第10頁，共33頁，2022年，5月20日，10點55分，星期二2.現(xiàn)階段地球化學的基本思想與研究對象1973年，美國國家科學院地球化學定位小組在“地球化學定位”（Orientations In Geochemistry)一書中關于地球化學的定義表述為：“地球化學是涉及地球和太陽系的化學成分和化學演化的的科學領域，它包括所有對其做出貢獻的學科的化學方面”，“亦即探索地球和行星演化的全

10、部化學就是地球化學?！笨梢姷厍蚧瘜W這種定位已經(jīng)更為接近地球化學專司研究寓于地球物質(zhì)運動中的化學形式運動的學科本質(zhì)。地球化學的研究對象和研究范圍已由化學元素及其在地殼中的行為和遷移歷史擴寬至地球及其層圈的化學組成、化學作用和化學演化；并由地殼元素原子層次為主 上升到地球及其層圈甚至行星和太陽系化學的層次。第11頁，共33頁，2022年，5月20日，10點55分，星期二續(xù)前雖然現(xiàn)階段的地球化學仍需有關于元素自然化學行為和遷移歷史研究部分，但其內(nèi)涵與目的已同上階段有所不同。其表現(xiàn)為：1）研究已由地殼中的元素行為和歷史擴寬到元素在各地圈中的行為及在各地圈間的循環(huán)歷史。2）除在與元素行為和遷移歷史直接有

11、關的成礦作用和環(huán)境污染等研究方面，原來研究元素集中、分散和遷移的思路和方法仍然有效外，現(xiàn)階段元素（更 多情況下元素組合和同位素系統(tǒng)組合）自然行為和活動規(guī)律研究，只是作為一種揭示地球化學作用機制和特征、層圈相互作用過程和層圈化學演化歷史的手段在進行，而不是作為原來意義的研究目的。3）由于固體地球?qū)尤χg或之內(nèi)物質(zhì)和能量交換及動能傳遞，主要是通過巖漿、沉積、和變質(zhì)等作用進行的，因此強調(diào)這些作用化學過程、化學機制及其中元素和同位素行為的研究，以利于地球及其層圈的化學演化的探索。第12頁，共33頁，2022年，5月20日，10點55分，星期二三、地球化學的基本觀點與方法論 在地球化學教學和書籍中很少見

12、到有關地球化學方法論的專門論述。這種情況非常不利于培養(yǎng)學生地球化學研究的思路和能力。然而，在許多地球化學巨匠的著作和論文中，不乏潛藏著的閃光的思想和深刻的哲理。總結現(xiàn)代地球科學和地球化學已經(jīng)取得的成就及其基本思想，可以提出以下地球化學研究的基本指導思想和方法論，共同學們參考和借鑒。第13頁，共33頁，2022年，5月20日，10點55分，星期二（一）地球物質(zhì)客體運動的基本規(guī)律 地球物質(zhì)客體運動的基本規(guī)律反映的不是個別的、具體的地球物質(zhì)運動的規(guī)律，而是概括地球物質(zhì)客體整體為對象的一般運動規(guī)律。關于地球物質(zhì)運動及寓于其中的各類基礎形式運動的基本規(guī)律的認識或觀點，具有指導地球科學及其各學科研究的認識

13、論和方法論意義?，F(xiàn)今有關地球化學運動基本規(guī)律的認識或觀點主要有：第14頁，共33頁，2022年，5月20日，10點55分，星期二1.地球化學系統(tǒng)觀點及其方法論意義（1）地球物質(zhì)客體，同任何事物一樣，均以系統(tǒng)的方式而存在，并在自身的內(nèi)在矛盾運動中及與環(huán)境的相互作用中而發(fā)展。這里的系統(tǒng)律特別強調(diào)系統(tǒng)（體系）的組成、結構與狀態(tài)制約著其中物質(zhì)運動特性與物質(zhì)的行為，即離開特定的系統(tǒng)談不上物質(zhì)和運動的具體行為與特性。（2）規(guī)律的闡明： 地球作為太陽系的一個子系統(tǒng)，有較小適中的體積，在太陽系中的軌道使地表溫度有利于水的大量存在，這決定著生物圈的出現(xiàn)與發(fā)展，最終導致地球以具有含自由氧的大氣圈、花崗質(zhì)的地殼和發(fā)

14、育的生命圈等而不同于其他行星。第15頁，共33頁，2022年，5月20日，10點55分，星期二接上地球系統(tǒng)中不同元素分別顯示出對氧、硫或鐵的明顯親和性，而不同于人為系統(tǒng)，這首先取決于地球系統(tǒng)中各種陽離子元素原子總數(shù)大大多于陰離子氧和硫原子的總數(shù)，使化學反應抑制法則發(fā)生了作用。碳元素在無機、有機和生命系統(tǒng)中的行為完全不同，就好象是不同的元素。不同區(qū)域殼、幔組成和狀態(tài)的差異，決定著各該區(qū)域巖石和礦產(chǎn)特征和類型的不同。表生系統(tǒng)與內(nèi)生系統(tǒng)性質(zhì)和狀態(tài)不同，其中化學過程與元素行為也差異較大。第16頁，共33頁，2022年，5月20日，10點55分，星期二（3）方法論意義任何特定事物運動均需置于它所處的特定

15、系統(tǒng)中來考查研究，以系統(tǒng)的特性來約束事物的性質(zhì)與行為。 系統(tǒng)均具有結構性和層次性，研究低一層次結構部分（系統(tǒng)的子系統(tǒng)），需要以高一層次系統(tǒng)的特征來約束。 地球科學應用力學、物理學和化學原理于地球系統(tǒng)時均需按地球系統(tǒng)的特殊性加以修正、甚至改造和發(fā)展。所以才需要建立構造地質(zhì)學、地球物理學、地球化學等。 第17頁，共33頁，2022年，5月20日，10點55分，星期二2.寓于地球物質(zhì)運動中的化學、力學（機械）、物理學和生物學形式的運動相互依存、相互制約和相互轉(zhuǎn)化的觀點 （1） 觀點的闡明 板塊聚會帶洋殼板片向大陸之下的俯沖，主要是構造（力學）運動，然而，隨洋殼板片的下插，溫壓就會不斷升高（物理場變化

16、），從而導致洋殼板片脫水和變質(zhì)（化學反應），如有遠洋沉積物隨洋殼俯沖，則其中所含的生物遺體有機分子就會發(fā)生降解作用（生物或有機化學反應）。這既可說明力學、物理、化學和生物形式運動的相互依存和相互制約的關系，又顯示了構造（力學）運動驅(qū)動了（或轉(zhuǎn)化出）物理學和化學運動。第18頁，共33頁，2022年，5月20日，10點55分，星期二接上 然而，洋殼俯沖這一構造（力學）運動卻是由物理-化學運動驅(qū)動的。按板塊構造學說，洋殼俯沖是受：（1）由地幔對流引起的海底擴張及（2）冷的較致密的鎂鐵質(zhì)洋殼的下沉和拖曳驅(qū)動的。地幔對流則是由地幔溫壓的不均一所致（物理因素）、后者則與放射性元素分布不均有關（化學因素）；

17、高溫低密度流體上升、冷的高密度物質(zhì)下降（物理過程），鎂鐵質(zhì)巖石密度大于長英質(zhì)巖石（化學因素），表明物理-化學運動驅(qū)動了構造（力學）運動，所以不同形式的運動是相互驅(qū)動或轉(zhuǎn)化的。第19頁，共33頁，2022年，5月20日，10點55分，星期二（2）方法論意義研究和解決任何地學問題均需由各種形式基礎運動或側面進行綜合分析，并應在此認識高度上，處理好多學科研究過程中學科之間的關系。 對地學問題開展地球化學學科研究時，必須自覺地以其他學科獲得的客觀資料、規(guī)律與成果，約束本學科的構思。 應善于將地學問題剖析為地球化學學科性質(zhì)的問題來研究，以發(fā)揮地球化學科的專長和優(yōu)勢。 第20頁，共33頁，2022年，5月

18、20日，10點55分，星期二3.地球?qū)尤ο嗷プ饔门c物質(zhì)（再）循環(huán)的觀點（1）觀點的闡明 地球形成初期，發(fā)生物質(zhì)分異形成了地球的層圈結構后，由于各層圈在物質(zhì)組成、能量和熱動力狀態(tài)方面的差異及同一層圈內(nèi)組成和能量的不均一性，尤其存在著極高溫度的地核，從而使地球成了一個巨大的動力學系統(tǒng)（類似熱機），必然導致層圈的相互作用物質(zhì)和能量交換及動量傳遞，以及層圈內(nèi)的物質(zhì)和能量對流，推動著地球及其層圈的發(fā)展和演化。這種地球動力學統(tǒng)系中的物質(zhì)運動規(guī)律，在寓于其中的不同形式基礎運動方面表現(xiàn)是不同的。地球化學運動表現(xiàn)為層圈間的物質(zhì)交換和循環(huán)及層圈內(nèi)的物質(zhì)分異和演化；力學（構造）運動表現(xiàn)為層圈間的動量傳遞與板塊的離散

19、與會聚 ;而地球物理運動則主要表現(xiàn)為層圈間和層圈內(nèi)的熱傳導和熱對流。第21頁，共33頁，2022年，5月20日，10點55分，星期二(2) 方法論意義 地球?qū)尤ο嗷プ饔脴嫵闪艘粋€完整的地球動力學系統(tǒng)。所有地學問題的研究均應以地球?qū)尤ο嗷プ饔玫乃枷霝橹笇?。例如，現(xiàn)今國際地球科學的兩大前沿領域全球變化和大陸動力學研究，均是以層圈相互作用為指導思想，以層圈間物質(zhì)循環(huán)為方法手段。不同的只是：全球變化研究涉及的是大氣圈、水圈、生物圈和巖石圈（即天、地、生）的相互作用和物質(zhì)循環(huán)；而大陸動力學研究涉及的是地殼、地幔和地核的相互作用與物質(zhì)循環(huán)。第22頁，共33頁，2022年，5月20日，10點55分，星期二4

20、.地球化學演化的旋回性和不可逆性觀點(2)觀點的闡明地球上同一地質(zhì)現(xiàn)象和作用，諸如巖漿、沉積、變質(zhì)等地質(zhì)作用與造山運動等，在各個地質(zhì)時代和階段均有發(fā)生，表明在地球歷史中相同的地質(zhì)事件可以重復出現(xiàn)，即發(fā)展具有旋回性、循環(huán)性或重現(xiàn)性。然而，考查證明類似的地質(zhì)事件隨時間推移會發(fā)生質(zhì)的變化，如巖漿作用僅在早前寒武紀形成科馬提巖，以后則為玄武巖；沉積鐵礦類型早前寒武紀為硅鐵建造、震旦紀為鮞狀赤鐵礦、顯生宙為湖相沉積鐵礦；板塊構造體制也只大約出現(xiàn)于18億年以后，更第23頁，共33頁，2022年，5月20日，10點55分，星期二接上 早的構造體制目前尚不清楚。地球上的生物則是從無到有、由低級向高級演化，甚至

21、突然發(fā)生大規(guī)模的滅絕（災變）。這體現(xiàn)出地球和地球化學演化總體上的不可逆性。所以地球化學演化具有螺旋式上升發(fā)展規(guī)律。造成本規(guī)律的因素主要為：（1）地球和太陽放射性能源隨時間的衰減（不可逆的）；（2）地球各層圈相互作用引起的層圈組成和狀態(tài)的變化，尤其生物圈的發(fā)生、發(fā)展對大氣圈、水圈和巖石圈影響造成的地球表層的環(huán)境變化（不可逆的）；（3）地球在銀河系和太陽系中軌道運行位置變化、速度的波動、太陽亮度變化、天體的隕落撞擊等（主要引起周期性重現(xiàn)，節(jié)律或災變）。第24頁，共33頁，2022年，5月20日，10點55分，星期二（2）方法論意義進行地學課題和地球化學演化研究時，應以旋回-不可逆性觀點，或者發(fā)展論

22、和階段論的思想為指導。 根據(jù)循環(huán)性或重現(xiàn)性規(guī)律，將今比古的研究原則是可行的；然而根據(jù)演化的不可逆性，則應注意這一原則只適用于地球歷史的特定階段。例如，注意不要將板塊構造體制階段發(fā)生的地質(zhì)事件的特征和規(guī)律，機械地套用于前板塊構造體制時期。 重視地球?qū)尤εc各類地質(zhì)事件在地球歷史中化學演化規(guī)律的研究。 第25頁，共33頁，2022年，5月20日，10點55分，星期二四、地學和地球化學主體研究的反序性說明： 除了現(xiàn)代地球表層正在進行的物質(zhì)運動（含地球化學運動）過程可以直接觀察外，絕大多數(shù)地學運動過程（含地球化學運動）均不能直接觀察，并且絕大多數(shù)屬于已完成或已結束了的過程。所以地學和地球化學研究基本是根

23、據(jù)運動過程的遺跡或記錄追索運動過程及其歷史的科學，即基本采用反序的研究方法。因此，培養(yǎng)和具備善于取得和分析運動記錄的能力，這點是十分重要的。第26頁，共33頁，2022年，5月20日，10點55分，星期二2.地球化學記錄地質(zhì)運動的記錄是：板塊、地體、造山帶、盆地、地層、巖體、巖帶、礦帶和礦床、巖石、礦物等的結構、相互關系與時空序列，以及地形地貌等。構造地質(zhì)學研究力學運動的記錄是各類地質(zhì)體的變形及其序次、特征和組合等。古生物是根據(jù)化石記錄研究生物的進化。地球物理學依據(jù)各類地質(zhì)體的密度、溫度、磁學和電學等物理性質(zhì)，以及傳導熱、電和地震波等的性能來探討地球的結構和物理學運動。那么什么是地球化學運動的

24、記錄？第27頁，共33頁，2022年，5月20日，10點55分，星期二接上我們認為地球化學運動的記錄既應該包括各類地質(zhì)體的化學和同位素組成，還應該包括地質(zhì)體的巖石和礦物組成（各類化合物及其組合）、元素的賦存形式，各類化合物（巖石、礦物）相互反應轉(zhuǎn)化的關系與時空序列，以及各類地質(zhì)事件所反映的物理化學性質(zhì)。因為，如果地球化學只將元素和同位素組成作為記錄，則不僅在野外工作階段根本無法進行真正意義的地球化學觀察、建立某些地球化學研究的設想，而且還會漏失大量有意義的地球化學信息。這樣研究的指導思想實際上僅能是一般地質(zhì)學思想，而非地球化學思想，因而必然就會限制地球化學學科潛力與專長的充分發(fā)揮。現(xiàn)在需要解決

25、的問題是如何在野外工作階段，能充分地收集地球化學信息，建立起地球化學研究的工作假說，使地球化學研究能在野外和室內(nèi)連續(xù)一貫。第28頁，共33頁，2022年，5月20日，10點55分，星期二(3)如何提高地球化學記錄收集能力 在這方面我們的主要體會是：在地質(zhì)觀察基礎上，只要善于應用礦物化學、巖石化學和地球化學知識及化學和物理化學知識，賦予地質(zhì)現(xiàn)象和事件以化學和物理化學本質(zhì)，就可獲得豐富的地球化學信息：由地質(zhì)體的巖石和礦物組成，就可知地質(zhì)體的主要化學組成，根據(jù)礦物中元素的類質(zhì)同象關系，還可推知可能會富集哪些微量元素，以及由地質(zhì)體基本化學成分推知它所具有的物理化學作用，如根據(jù)石灰?guī)r(CaCO3)屬于強堿弱酸鹽類的性質(zhì),就可知它能起中和溶液酸性的堿性地球化學障的作用，等等。由巖石和礦物的交代反應關系，就