地球化學的學科性質和基本思想

地球化學的學科性質

和基本思想第一章地球化學進展課程一、地球化學的學科性質（一）各種說法例舉：地學與化學雜交的邊緣學科，研究地球物質成分的學科，地學中的研究元素和同位素的微觀學科，地質構造研究運動，地球化學研究物質，礦物學、巖石學和地球化學是同一類學科?？傊娬f紛紜，共同特征是：只從表面看問題，將物質和運動分離，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。（二）由地球系統(tǒng)物質運動特性看地球科學和地球化學學科本質恩格斯提出按學科所研究的物質運動類型進行學科分類的原則，至今仍然有效。當年由于地質學（研究固體地球的地學學科）還處于完全描述階段，看不清地質物質運動的特性，故恩格斯未對地質學作分類屬性的論述。現(xiàn)今地球科學的發(fā)展已有可能鑒別出地球系統(tǒng)物質運動（含地質運動）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。（三）地球科學中的兩大類學科按所研究物質運動的特征看，地球科學中存在兩大類學科：研究地球及其子系統(tǒng)物質綜合復雜運動的學科：二級學科：地質學（固體地球學科）、大氣科學、海洋科學、地理學。地質學下屬的三級學科：礦物學、巖石學、地層學、構造地質學、地層學、地貌學、古生物學、礦床學、大地構造學等。

此類學科（除構造地質學外），不管體系大小其中的物質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。接上2.專門從事寓于地球物質運動中的某種基礎形式運動的學科

力學類：構造地質學（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成礦作用，地質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。（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領域的研究，并至少與研究地球物質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。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。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。（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。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。（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、水圈、生物圈和巖石圈相互作用和物質循環(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層圈演化的理論和方法，也具備了參與地球及其層圈這一層次問題研究的可能。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”（OrientationsInGeochemistry)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運動中的化學形式運動的學科本質。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。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）由于固體地球層圈之間或之內(nèi)物質和能量交換及動能傳遞，主要是通過巖漿、沉積、和變質等作用進行的，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。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?？偨Y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。（一）地球物質客體運動的基本規(guī)律地球物質客體運動的基本規(guī)律反映的不是個別的、具體的地球物質運動的規(guī)律，而是概括地球物質客體整體為對象的一般運動規(guī)律。關于地球物質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：1.地球化學系統(tǒng)觀點及其方法論意義（1）地球物質客體，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)制約著其中物質運動特性與物質的行為，即離開特定的系統(tǒng)談不上物質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、花崗質的地殼和發(fā)育的生命圈等而不同于其他行星。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)性質和狀態(tài)不同，其中化學過程與元素行為也差異較大。（3）方法論意義任何特定事物運動均需置于它所處的特定系統(tǒng)中來考查研究，以系統(tǒng)的特性來約束事物的性質與行為。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學、地球物理學、地球化學等。

2.寓于地球物質運動中的化學、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），從而導致洋殼板片脫水和變質（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）運動驅動了（或轉化出）物理學和化學運動。

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洋殼的下沉和拖曳驅動的。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）；高溫低密度流體上升、冷的高密度物質下降（物理過程），鎂鐵質巖石密度大于長英質巖石（化學因素），表明物理-化學運動驅動了構造（力學）運動，所以不同形式的運動是相互驅動或轉化的。（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的問題來研究，以發(fā)揮地球化學科的專長和優(yōu)勢。3.地球叔層圈相互濫作用與物蒸質（再）喂循環(huán)的觀位點（1）躬觀點的我闡明地球形成砍初期，發(fā)案生物質分璃異形成了調(diào)地球的層謀圈結構后傅，由于各層羽圈在物質弦組成、能木量和熱動青力狀態(tài)方召面的差異史及同一層川圈內(nèi)組成郵和能量的賴不均一性莊，尤其存求在著極高夠溫度的地蛋核，從而害使地球成垂了一個巨螞大的動力俊學系統(tǒng)（詞類似熱機悉），必然奏導致層圈果的相互作碰用——物毒質和能量宣交換及動戰(zhàn)量傳遞，服以及層圈裂內(nèi)的物質泉和能量對勞流，推動唱著地球及滿其層圈的搬發(fā)展和演裂化。這種地球曠動力學統(tǒng)趣系中的物蟲質運動規(guī)測律，在寓疑于其中的雕不同形式量基礎運動臂方面表現(xiàn)目是不同的惑。地球化帝學運動表圣現(xiàn)為層圈僵間的物質潑交換和循鮮環(huán)及層圈共內(nèi)的物質極分異和演絮化；力學乞（構造）酬運動表現(xiàn)斬為層圈間治的動量傳艙遞與板塊沒的離散與享會聚;淺而地球物麻理運動則嶺主要表現(xiàn)危為層圈間巷和層圈內(nèi)嘩的熱傳導蕉和熱對流齡。(2)釀方法論意添義地球層圈嗎相互作用蛇構成了一腫個完整的毒地球動力嶄學系統(tǒng)。保所有地學這問題的研潤究均應以顛地球層圈挑相互作用池的思想為戀指導。例臥如，現(xiàn)今死國際地球壯科學的兩利大前沿領定域——全滿球變化和愁大陸動力樂學研究，膜均是以層王圈相互作木用為指導列思想，以扶層圈間物稍質循環(huán)為擁方法手段悅。不同的冠只是：全球變化為研究涉及皂的是大氣絹圈、水圈耽、生物圈專和巖石圈悶（即天、活地、生）浙的相互作滑用和物質蘿循環(huán)；而效大陸動力后學研究涉騾及的是地提殼、地?；睾偷睾说牧⑾嗷プ饔卯斉c物質循屈環(huán)。4.地臺球化學屆演化的虹旋回性蒜和不可詳逆性觀隊點(2)錘觀點的鈔闡明地球上同尋一地質現(xiàn)繭象和作用償，諸如巖宿漿、沉積精、變質等始地質作用脅與造山運辟動等，在父各個地質塞時代和階無段均有發(fā)聾生，表明仆在地球歷將史中相同釘?shù)牡刭|事棕件可以重壤復出現(xiàn)，沫即發(fā)展具駕有旋回性視、循環(huán)性復或重現(xiàn)性楊。然而，考荷查證明類姑似的地質蛛事件隨時愉間推移會怖發(fā)生質的顛變化，如靠巖漿作用彎僅在早前紐奉寒武紀形搶成科馬提伙巖，以后亭則為玄武而巖；沉積笨鐵礦類型腥早前寒武稅紀為硅鐵鍋建造、震吃旦紀為鮞熄狀赤鐵礦填、顯生宙留為湖相沉膏積鐵礦；擾板塊構造慮體制也只她大約出現(xiàn)婆于18億評年以后，廟更接上早的構醉造體制看目前尚拒不清楚短。地球巷上的生根物則是絲式從無到項有、由泉低級向俗高級演蔬化，甚躺至突然獨發(fā)生大失規(guī)模的康滅絕（昨災變）蕩。這體死現(xiàn)出地騾球和地校球化學身演化總燒體上的哄不可逆守性。所彼以地球落化學演足化具有銷螺旋式皆上升發(fā)幕展規(guī)律拿。造成本規(guī)橋律的因素天主要為：（1）地共球和太陽稀放射性能記源隨時間瘦的衰減（劍不可逆的敵）；（2）地魂球各層圈酬相互作用窯引起的層組圈組成和犁狀態(tài)的變致化，尤其奴生物圈的獅發(fā)生、發(fā)堤展對大氣鐮圈、水圈技和巖石圈巴影響造成激的地球表吸層的環(huán)境閑變化（不杜可逆的）諷；（3）地球赤在銀河系躁和太陽系孟中軌道運鹿行位置變倒化、速度彎的波動、股太陽亮度進變化、天喊體的隕落緞撞擊等（防主要引起呀周期性重滾現(xiàn)，節(jié)律睜或災變）拘。（2）卷方法論路意義進行地學她課題和地涼球化學演擠化研究時獄，應以旋構回-不可盆逆性觀點召，或者發(fā)觀展論和階拴段論的思娃想為指導獵。根據(jù)循環(huán)裝性或重現(xiàn)私性規(guī)律，則將今比古翻的研究原清則是可行掠的；然而蛙根據(jù)演化碎的不可逆穴性，則應沙注意這一城原則只適蹤蝶用于地球垃歷史的特稍定階段。邁例如，注全意不要將昏板塊構造化體制階段濱發(fā)生的地片質事件的森特征和規(guī)沫律，機械岔地套用于遲前板塊構綠造體制時旺期。重視地源球層圈索與各類老地質事觸件在地糕球歷史丟中化學堂演化規(guī)疊律的研趙究。四、地容學和地女球化學邁主體研宮究的反抱序性說明：除了現(xiàn)代郊地球表層敢正在進行督的物質運男動（含地外球化學運麗動）過程箭可以直接權觀察外，唱絕大多數(shù)盲地學運動采過程（含斥地球化學踏運動）均緊不能直接引觀察，并塘且絕大多拆數(shù)屬于已靠完成或已詠結束了的寒過程。所以地衣學和地扭球化學維研究基像本是根側據(jù)運動訓過程的喜遺跡或禾記錄追宿索運動豎過程及花其歷史濃的科學法，即基鬼本采用劃反序的認研究方核法。因此，后培養(yǎng)和總具備善是于取得泡和分析付運動記廢錄的能鼓力，這枕點是十瀉分重要饒的。2.地球施化學記錄地質運雜動的記悅錄是：攏板塊、撇地體、愛造山帶皂、盆地夜、地層點、巖體擊、巖帶辟、礦帶亭和礦床冒、巖石喝、礦物面等的結橋構、相啞互關系尼與時空貞序列，初以及地抬形地貌羨等。構造地質轟學研究力軍學運動的逆記錄是各掉類地質體蚊的變形及各其序次、密特征和組梯合等。古生物是曠根據(jù)化石看記錄研究塌生物的進倘化。地球物理扒學依據(jù)各評類地質體殺的密度、瞧溫度、磁墳學和電學吹等物理性聯(lián)質，以及佳傳導熱、荒電和地震東波等的性匹能來探討叢地球的結斃構和物理避學運動。那么什么辨是地球化椅學運動的笑記錄？接上我們認為科地球化學裳運動的記淘錄既應該渾包括各類忌地質體的盛化學和同惡位素組成帳，還應該仿包括地質憑體的巖石笑和礦物組婦成（各類閥化合物及孟其組合）雀、元素的香賦存形式去，各類化脫合物（巖驗石、礦物納）相互反泛應轉化的絮關系與時恰空序列，滴以及各類麗地質事件茅所反映的陵物理化學只性質。因為，巨如果地所球化學信只將元玩素和同扮位素組偵成作為緒記錄，賴則不僅已在野外處工作階場段根本池無法進股行真正天意義的蹤蝶地球化梨學觀察立、建立露某些地資球化學現(xiàn)研究的嗓設想，雷而且還自會漏失笨大量有輕意義的蘭地球化驢學信息萬。這樣研禍究的指劈燕導思想金實際上肺僅能是蘇一般地脂質學思娛想，而奪非地球予化學思致想，因窗而必然存就會限誼制地球枝化學學著科潛力眾與專長賄的充分洽發(fā)揮?，F(xiàn)在需要燒解決的問冶題是如何涌在野外工史作階段，釣能充分地瞞收集地球柄化學信息碌，建立起覆地球化學氧研究的工吩作假說，惰使地球化個學研究能測在野外和瓜室內(nèi)連續(xù)蘋一貫。(3)弟如何提癢高地球厲化學記叼錄收集捆能力在這方面那我們的主轟要體會是盲：在地質塵觀察基礎壯上，只要袖善于應用家礦物化學卻、巖石化涂學和地球嶄化學知識斬及化學和父物理化學抱知識，賦閱予地質現(xiàn)眉象和事件麗以化學和娛物理化學雞本質，就亦可獲得豐塘富的地球?；瘜W信息念：由地質體暑的巖石和奮礦物組成智，就可知季地質體的筋主要化學漂組成，根剪據(jù)礦物中軋元素的類革質同象關呈系，還可己推知可能李會富集哪績些微量元左素，以及要由地質體差基本化學根成分推知非它所具有由的物理化潑學作用，隱如根據(jù)石凳灰?guī)r(C鞏aCO3)屬于護強堿弱吸酸鹽類筐的性質攪,就可枕知它能霜起中和羨溶液酸酒性的堿循性地球寨化學障非的作用備，等等觸。由巖石伙和礦物朝的交代識反應關責系，就兆可獲得怨有關地剩球化學胡過程及斑其物理溉化學環(huán)股境的信癥息。如凍由巖石造的黃鐵滑絹接上英巖化百，就可岔知在交惱代過程擱中有大碗量堿金踩屬和堿嗽土金屬劈燕元素自松巖石帶森出，交從代過程售屬于酸匯性淋濾朽作用。游又如，宗在金屬宇礦床氧群化帶中厲見到方皺鉛礦(絡PbS艦)邊緣橡部分被漂鉛礬(滋PbS劃O4)交代潛,后刷者又被團白鉛礦戒(Pb渾CO3)交代承的環(huán)帶蒼構造，鹽就可知冤S2-被氧化普為SO42-，而溶粒