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1、地地 球球 化化 学学地球化学是研究地球的化学组成、化学作用和化学演化的科学，它是地质学与化学、物理学相结合而产生和发展起来的边缘学科。自 20 世纪 70 年代中期以来，地球化学和地质学、地球物理学已成为固体地球科学的 三大支柱。它的研究范围也从地球扩展到月球和太阳系的其他天体。地球化学的理论和方法，对矿产的寻找、评价和开发，农业发展和环境科学等有重要意义。地球科学基础理论的一些重大研究成果，如界限事件、洋底扩张、岩石圈演化等均与地球化学的研究有关。地球化学发展简史从 19 世纪开始，一些工业国家逐渐开展系统的地质调查和填图、矿产资源的寻找及开发利用促进了地球化学的萌芽。1838 年，德国舍
2、恩拜因首先提出“地球化学”这个名词。19 世纪中叶以后，分析化学中的重量分析、容量分析逐渐完善；化学元素周期律的发现以及原子结构理论的重大突破，为地球化学的形成奠定了基础。1908 年，美国克拉克发表地球化学资料一书。在这部著作中，克拉克广泛地汇集和计算了地壳及其各部分的化学组成，明确提出地球化学应研究地球的化学作用和化学演化，为地球化学的发展指出了方向。挪威戈尔德施密特在元素的地球化学分布规则中指出化学元素在地球上的分布，不仅与其原子的物理化学性质有关，而且还与它在 晶格中的行为特性有关。这使地球化学从主要研究地壳的化学纽成转向探讨化学元素在地球中分布的控制规律。1922 年费尔斯曼发表俄罗
3、斯地球化学一书，系统论述了各地区的地球化学，是第一部区域地球化学基础著作。1924 年维尔纳茨基发表了地球化学概论一书，首次为地球化学提出了研究原子历史的任务，最先注意到生物对于地壳、生物圈中化学元素迁移、富集和分散的巨大作用。1927 年他组织和领导了世界上第一个地球化学研究机构生物地球化学实验室。与此同时，放射性衰变规律的认识、同位素的发现、质谱仪的发明与改进，导致了同位素地球化学，特别是同位素地质年代学的开拓。1907 年美国化学家博尔特伍德发表了第一批化学铀-铅法年龄数据。3040 年代铀-钍-铅法、钾-氩法、 钾-锶法、普通铅法、碳-14 法等逐步发展完善，使同位素地质年代学初具规模
4、。20 世纪 50 年代以后，地球化学除了继续把矿产资源作为重要研究对象以外，还开辟了环境保护、地震预报、海洋开发、农业开发、生命起源、地球深部和球外空间等领域的研究。地球化学分析手段飞速发展，广泛应用超微量、高灵敏度的分析测试技术和仪器，配合电子计算机的使用，不仅可获得大量高精度的分析数据，而且可以直接揭示样品中难于观测的元素及其同位素组成的细微变化和超微结构。在这个时期，中国在元素地球化学、同位素地质年代学方面也取得了一批重要成果，如1961 年李璞等发表了中国第一批同位素年龄数据；1962 年黎彤等发表了中国各种岩浆岩平均化学成分资料；1963 年中国科学院完成了中国锂铍铌钽稀土元素地球
5、化学总结，提出了这些矿种的重要矿床类型和分布规律。地球化学的基本内容地球化学主要研究地球和地质体中元素及其同位素的组成，定量地测定元素及其同位素在地球各个部分(如水圈、气圈、生物圈、岩石圈)和地质体中的分布；研究地球表面和内部及某些天体中进行的化学作用，揭示元素及其同位素的迁移、富集和分散规律；研究地球乃至天体的化学演化，即研究地球各个部分，如大气圈、水圈、地壳、地幔、地核中和各种岩类以及各种地质体中化学元素的平衡、旋回，在时间和空间上的变化规律。基于研究对象和手段不同，地球化学形成了一些分支学科。元素地球化学是从岩石等天然样品中化学元素含量与组合出发，研究各个元素在地球各部分以及宇宙天体中的
6、分布、迁移与演化。在矿产资源研究中，元素地球化学发挥了重要作用，微量元素地球化学研究提供了成岩、成矿作用的地球化学指示剂，并为成岩、成矿作用的定量模型奠定了基础。同位素地球化学是根据自然界的核衰变、裂变及其他核反应过程所引起的同位素变异，以及物理、化学和生物过程引起的同位素分馏，研究天体、地球以及各种地质体的形成时间、物质来源与演化历史。同位素地质年代学已建立了一整套同位素年龄测定方法，为地球与天体的演化提供了重要的时间座标。比如已经测得太阳系各行星形成的年龄为 4546 亿年，太阳系元素的年龄为 5058 亿年等等。另外在矿产资源研究中，同位素地球化学可以提供成岩、成矿作用的多方面信息，为探
7、索某些地质体和矿床的形成机制和物质来源提供依据。有机地球化学是研究自然界产出的有机质的组成、结构、性质、空间分布、在地球历史中的演化规律以及它们参与地质作用对元素分散富集的影响。生命起源的研究就是有机地球化学的重要内容之一。有机地球化学建立的一套生油指标，为油气的寻找和评价提供了重要手段。天体化学是研究元素和核素的起源，元素的宇宙丰度，宇宙物质的元素组成和同位亲组成及其变异，天体形成的物理化学条件及在空间、时间的分布、变化规律。环境地球化学是研究人类生存环境的化学组成化学作用、化学演化及其与人类的相互关系，以及人类活动对环境状态的影响及相应对策。环境地球化学揭示了某些疾病的地区性分布特征及其与
8、环境要素间的关系。矿床地球化学是研究矿床的化学组成、化学作用和化学演化。着重探讨成矿的时间、物理化学条件、矿质来源和机理等问题。它综合元素地球化学、同位素地球化学、勘查地球化学和实验地球化学等分支学科的研究方法和成果，为矿产的寻找、评价、开发利用服务。区域地球化学是研究一定地区某些地质体和圈层的化学组成、化学作用和化学演化，以及元素、同位素的循环、再分配、富集和分散的规律。它为解决区域各类基础地质问题、区域成矿规律和找矿问题以及区域地球化学分区与环境评价等服务。区域地球化学揭示的元素在空间分布的不均匀性，为划分元素地球化学区和成矿远景区提供了依据。勘查地球化学是通过对成矿元素和相关元素在不同地
9、质体及区带的含量和分布研究，找出异常地段，以便缩小和确定找矿及勘探对象。除直接为矿产资源服务外，它也是环境评价及国土规划的重要参考。地球化学的一些重大成果是各分支学科综合研究的结果。如陨石、月岩与地球形成的同位素年龄的一致，表明太阳系各成员形成独立宇宙体的时间是大致相同的。又如微量元素和同位素研究，导致发现地幔组成的不均一性(垂向的和区域的)，提出了双层地幔模型，加深了对地球内部的认识。天体化学、微量元素和同位素地球化学研究，还为新灾变论提供了依据。在研究方法上，地球化学综合地质学、化学和物理学等的基本研究方法和技术，形成的一套较为完整和系统的地球化学研究方法。这些方法主要包括：野外地质观察、
10、采样；天然样品的元素、同位素组成分析和存在状态研究；元素迁移、富集地球化学过程的实验模拟等。在思维方法上，对大量自然现象的观察资料和岩石、矿物中元素含量分析数据的综合整理，广泛采用归纳法，得出规律，建立各种模型，用文字或图表来表达，称为模式原则。随着研究资料的积累和地球化学基础理论的成熟和完善，特别是地球化学过程实验模拟方法的建立，地球化学研究方法由定性转入定量化、参数化，大大加深了对自然作用机制的理解，现代地球化学广泛引入精密科学的理论和思维方法研究自然地质现象，如量子力学、化学热力学、化学动力学核子物理学等，以及电子计算技术的应用使地球化学提高了推断能力和预测水平。当前地球化学的研究正在经
11、历三个较大的转变：由大陆转向海洋；由地表、地壳转向地壳深部、地幔；由地球转向球外空间。地球化学的分析测试手段也将更为精确快速，微量、超微量分析测试技术的发展，将可获得超微区范围内和超微量样品中元素、同位素分布和组成资料。低温地球化学、地球化学动力学、超高压地球化学、稀有气体地球化学、比较行星学等很有发展前景。石石 油油 地地 质质 学学石油地质学是研究石油和天然气在地壳中生成、运移和聚集规律的学科，是石油和天然气地质学的简称。 石油是流体，与固体矿产相比，有其独特的生成和聚集规律。石油聚集的地方并不是生成的地方，石油在生成后，必须通过运移才能聚集在有利的圈闭中。大量的勘探和开采实践，积累了很多
12、有关油气生成、运移和聚集规律的知识，逐渐形成这门学科。在美国和日本等国，石油地质学的内涵更广，除研究石油和天然气成因、油气藏的形成和油气在地壳中的分布规律，以及从生成、运移到富集成为油气藏的基本原理外，还包括油气田地质学、调查和勘探油气的各种地质学、地球物理学和地球化学的原理和方法，以及油气田开发的地质学原理和工艺技术等内容。18 世纪中期，人们就曾经在油气苗位置上或其附近凿井，发现在一些背斜脊部有油渗出。背斜理论是加拿大地质学家亨特于 1861 年提出的。背斜理论一直为地质学家所遵循，指导着勘探的决策。特别是 1920 年地震反射法成功地应用于地下构造的制图，更加强了应用背斜理论寻找石油的信
13、心。20 世纪 30 年代，在美国发现了巨大的东得克萨斯地层油藏之后，地质学家认识到不能简单地只靠背斜理论找油。为寻找新油田，除了应用构造制图外，还必须广泛地采用地层学方法。因此，在石油地质理论中引入了礁、不整合、逆倾斜的尖灭、岩相制图、枢纽线、三角、洲沉积等与地层圈闭有关的概念。在 19 世纪初期，地质学家根据野外观察认为，石油起源于沥青质页岩，并被运移到砂岩中。在无机成因说；与有机成因说的长期激烈争论中，有机说者提供了很多重要证据，并且不断地对一些论点加以修正、补充和完善。1943 年，怀特莫尔等根据从海藻中分离出含有 1934 碳原子的一系列烃类的事实，指出海洋有机体一年所提供的 600
14、0 万桶烃类，就足够形成在沉积岩中发现的总烃量。1952 年，史密斯通过对现代海洋沉积物中烃的研究，进一步完善了这种生油理论。他指出近代海洋沉积物中存在游离烃类，并在成岩早期阶段随着深度加大，烃含量急剧增加，非烃化合物含量显著减少。1963 年，埃布尔森提出，石油是沉积物的干酪根在成岩过程的晚期经过热解生成的。干酪根成油说已成为石油生成的现代最重要的理论。马格拉除了强调压实作用为初次运移的主要动力外，还提供了粘上脱水异常压力和石油运移等方面的资料。此外，斯纳尔斯基指出，微裂缝对石油从不渗透油源岩中排出有重要的作用。蒂索、佩列特和赫德伯格等还认为，由于液态或气态烃类数量不断增加，生油层内压力增加
15、，直到压力增至大于岩石强度时，则岩石产生微裂缝，烃类气体排出，随着地层内压力逐渐降低，使微裂缝闭合。随着烃类的不断增加，地层内压力加大，岩石又产生微裂缝，又有烃类排出，如此循环往复，就使烃类断断续续地排出。1975 年，蒂索等企图根据石油生成和运移的新理论采用盆地分析方法，确定盆地的石油远景和最有利的石油聚集带。70 年代以来，许多石油地质学家和地球化学家，根据盆地类型、沉降史、沉积史、干酪根类型及其成熟度，建立石油生成模型，以便在空间和时间上定量地确定每一层油源岩的生烃潜力。1975 年蒂索等首次介绍了石油生成与地质时间呈函数关系的模型，即石油生成模型。1983年，迪朗还基于达西定律和相对渗
16、透率概念，描述了二维二相单元数学运移模型。该模型提供了埋藏过程中沉积物孔隙的石油饱和度史和流体压力史，指出了石油运移的时间及油藏形成的可能部位。尽管这些研究工作还不成熟，但石油地质学家们的努力，使得石油地质理论已开始定量化和模式化。石油地质学主要研究石油及其伴生物天然气、固体沥青的化学组成、物理性质和分类；石油成因与生油岩标志；储集层、盖层及生储盖组合；油气运移，包括油气初次运移和油气二次运移；圈闭和油气藏类型；油气藏的形成和保存条件。油气藏的形成过程就是在各种因素的作用下，油气从分散到集中的转化过程。能否有丰富的油气聚集，并且被保存下来，主要取决于是否具备生油层、储集层、盖层、运移、圈闭和保存 6 项条件。其中最重要的两个条件是充足的油气来源和有效的圈闭。石油地质学与流体力学、有机地球化学、地球物理学、构造地质学、沉积岩石学和岩相古地理学等有密切的关系。例如，这些学科的发展，以及色谱、色谱-质谱、红外光谱、电子显微镜和同位素分析等技术的广泛采用，为解决石油成因问题创造了良好的基础。一些重要的油气藏与河道砂、三角洲砂、沉积砂和礁密切相关。而这些类型的砂体和礁
