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1、1.2 地球化学的发展现代地球科学有三门基本学科：地质学、地球物理学和地球化学。大致在本世纪40年代末期和50年代初期，地球化学才成为一门独立成型的学科。这里，作为独立学科的重要标志是以学科命名的课程在一些大专院校开设，以学科命名的科研和教学单位开始出现，以及以学科命名的学术刊物问世等。当前许多重大的地学理论问题的解决，如地球的起源、全球板块构造理论、区域成矿问题分析等，都有赖于这三门基本学科的紧密配合。地球化学的发展大致经历两个主要阶段；一是经典地球化学阶段，着重研究元素的丰度、分布和迁移，研究的手段主要是无机化学、晶体化学和分析化学的方法；二是近代地球化学阶段。随着各项技术的发展（宇航技术
2、、高温高压实验技术、核物理探测技术等），地球化学的研究领域不断扩展，朝着地球内部和宇宙空间发展，形成了以研究地幔为对象的深部地球化学和研究陨石、月球、宇宙尘的宇宙化学。除研究元素外，还发展了同位素研究，建立了同位素地球化学。在研究手段上更加注意了物理化学、热力学和动力学的理论和方法，发展了各种地球化学的模式研究，形成了地球化学全面发展的新时期。1.2.1 经典地球化学的三个代表人物1.克拉克（F.W.Clarke，18471931）美国化学家克拉克是地球化学的奠基者。他着重研究化学元素在地壳中的分布和丰度。他和他的同事华盛顿（H.S.Washington）多次发表的地壳的平均化学成分和地球化学
3、资料是最早的地球化学著作。克拉克的地球化学研究主要在美国地质调查所进行的。本世纪初在美国华盛顿的卡内基研究院建立了地球物理实验室和后来的地磁系（Department of TerrestrialMagnetis，DTM）开辟了实验地球化学的新方向。2.维尔纳茨基（.，18631945）俄罗斯矿物学家维尔纳茨基开创了生物地球化学和同位素地球化学研究。发表了地球化学概论一书。他首先提出了地球化学旋迴的概念，并用它来阐述化学元素在前后相继的地球化学作用中的演变历史。他的学生费尔斯曼开创了区域地球化学和地球化学找矿方法。费尔斯曼发表的俄罗斯地球化学是一本经典的区域地球化学著作。费尔斯曼为了说明元素在迁
4、移过程中的地球化学行为，提出了共生序数和晶格能等概念，并对控制元素迁移的各种因素和元素迁移的规律进行了研究。在莫斯科，设有维尔纳茨基地球化学和分析化学研究所，隶属于俄罗斯科学院。3.戈尔德斯密特（V.M.Goldsmidt，18871947）挪威地质学家戈尔德斯密特在矿物晶体化学研究基础上，开创了微量元素地球化学的研究，提出了微量元素在矿物和岩石中的存在形成和分布规律。他提出了适合自然界矿物共生组合的戈氏相律。他用简洁的办法计算了地壳元素的丰度。他根据化学元素在陨石和地球物质中的分布，首次将元素进行地球化学分类。他赋予地球化学更广阔的研究领域和更深入的研究内容，他有远见地指出，地球化学不仅要研
5、究元素的分布和丰度，而且要研究同位素的分布和丰度；不仅要研究地球的物质成分，而且要研究宇宙的物质成分。他十分强调要研究那些支配元素和同位素分布的规律。戈尔德斯密特的这些观点。对现代地球化学的发展，产生了重大影响。他发表了一系列著作，他的遗著地球化学（1954）是一本经典的元素地球化学。戈尔德斯密特曾在德国哥廷根大学工作多年，现在该大学设有戈尔德斯密特地球化学研究所。70年代起，美国地球化学协会为了表彰对地球化学发展做出贡献的各国科学家，设立了戈尔德斯密特奖和克拉克奖，前者奖励有重大贡献的地球化学家，后者奖励有成就的年青地球化学工作者。1.2.2 现代地球化学及其发展第二次世界大战结束后，特别是
6、从60年代起，地球化学的发展有了很大的变化，进入了现代地球化学的阶段。1.现代地球化学的特点同经典地球化学阶段比较，现代地球化学的发展有下列特点：1）研究领域不断扩大，研究内容不断深化。现代地球化学把其研究领域从地上转向天上、从地表转入地下、从大陆转向海洋。有人形象地称为上天、入地、下海。它已成为现代地球化学的前沿领域，这是当代科学技术的发展对地球化学的要求，也是地球化学发展的必然结果。在不同的领域内，现代地球化学都得到了不同程度的深入发展；建立了元素丰度体系；提出了更实用和有效的元素地球化学分类；提出了微量元素定量分配的理论模型；在同位素分馏作用中广泛应用了热力学的理论和方法；在地球化学循环
7、中提出了箱式模型的原理和方法；各种放射成因同位素示踪体系的建立等。这些都表明地球化学作为一门独立学科，无论在理论上还是方法上都日趋成熟、完整和系统。2）人材、机构不断增加。经典的地球化学研究工作主要集中在美国、俄罗斯和德国等少数几个国家。现代地球化学无论是在发达国家或是发展中国家都得到了迅速的发展，各个国家相继建立地球化学研究机构、成立地球化学协会、出版地球化学专门刊物，积极培养地球化学专业人材。有许多国家合作开展的全球性研究计划促进了各国有关地球化学学科的发展和研究水平的提高。3）地球化学的分支学科不断涌现和建立。随着地球化学理论体系逐步建立及其和相邻学科的互相结合和渗透，一些专门研究领域的
8、地球化学分支学科迅速发展起来。地球化学的分支学科有不同的划分方法。如按研究的空间范围划分，有地幔地球化学、区域地球化学、水圈地球化学等；按研究观察对象划分，有同位素地球化学、微量元素地球化学、有机地球化学、生物地球化学等；按照地质作用分类，有岩浆作用地球化学、变质作用地球化学、沉积作用地球化学、热液作用地球化学等；以及环境地球化学、构造地球化学、勘查地球化学、土壤地球化学、水文地球化学等各分支学科。因此，现代地球化学已成为一个枝叶繁茂的学科。另外应该说明，划分分支学科是地球化学发展的必然趋势，但也有一定的人为性。有些分支学科的界线不是截然的，它们既有联系，又有区别。有的只是研究问题的角度和出发
9、点有所不同。2.现代地球化学的成果这里不可能对地球化学的研究成果作出全面的评述，只想就有关分支学科和领域里的某些成果作一扼要的概述。1）同位素地质年代学和同位素示踪同位素地质时钟的成果已被地球科学普遍承认和引用。KAr，U（Th）Pb，RbSr，SmNd计时已完全成熟。最近，用钕同位素地球化学在解决前寒武纪古老变质岩的演化，追踪古老地壳的演化历史，以及了解地幔的不均一性等提供了新证据。在世界上确定了几处古大陆核，以此为基础建立了各区前寒武纪地质年代表。重稳定同位素演化和示踪理论的成果使同位素年代学突破了单纯计时的界线，成为地球科学家剖析复杂的地质地球化学历史的有力手段。2）稳定同位素地球化学获
10、得了大量实验数据和精确的同位素分馏系数值。对同位素分馏的物理机制进行了理论探讨。碳、氢、氧、硫同位素分馏理论和实践对解决成岩成矿作用过程中的物质来源、流体相性质、物理化学条件以及各种混合、叠加作用的判断提供了有说服力的定量证据。3）微量元素地球化学建立了微量元素定量分配理论，推导出岩浆分离结晶作用和部分熔融作用的定量公式，对判断岩浆过程性质、物源、部分熔融和结晶分异的程度提供了定量标志和准则。给出了各种微量元素在不同体系中矿物/熔体分配系数，以及矿物相分配的微量元素温度计和微量元素压力计的新资料。确定了大量的稀土元素和不相容元素分配的模式及其对各类岩石成因、火山岩产出的构造环境、成岩成矿作用的
11、指示意义。4）实验地球化学进行了大量的常温常压、高温高压各类成岩成矿实验研究，包括矿物溶解度、离子迁移、元素分配、相变及化学反应等。矿物和岩石中包裹体研究成为重要的研究成岩成矿作用的手段。最新的超高压技术已可在微区内实现150250GPa，达到了下地幔和地核的深度。常规的高温高压溶液地球化学对超临界状态的水岩体系和许多反应机制积累了大量的实验和相图资料，取得了明显的成果。质量迁移理论和一整套数学模拟体系的出现，为应用热力学和动力学理论综合研究热液成矿和蚀变提供了一种新途径。5）有机地球化学随着能源事业的需求，有机地球化学取得了长足的进步。应用有机地化对石油的生成和演化机制研究获得了成功。对沉积
12、盆地的成油条件、油气田勘探提出了地球化学指标。利用烃类等有机物作为生物标志化合物提供了许多重要的地球化学信息。陨石和古老岩石中有机物的研究对地球早期生物的存在形式和演化、对生命的起源提供了新的信息。此外，地球化学在以下一些方面也取得了重要的进展：如太阳系星体早期演化历史，地幔的不均一性和地幔化学分层模型，地球上最古老的岩石和太古代陆核形成，成岩成矿作用的多阶段、多来源、多成因，微量元素与人类健康，大气臭氧层的作用，第四纪下限年代，以及海洋和海水的化学演化等等。现代地球化学发展方向的主要特征可以概括如下：1）各种精密、灵敏、高效分析技术的引入，微区、微粒观察方法的建立，实验模拟技术的提高及电子计
13、算机的普遍应用，以至宇航、深钻、深海探测技术等开阔了人们的视野，增大了信息量，使人们用地球化学方法更全面深入地观察地球、了解宇宙。2）基础科学成果的引入和广泛应用，提高了地球化学对事物本质的理解力和认识深度，使地球化学向定量化、科学化、预测化的方向大大推进。3）地球化学广泛吸收邻近学科的成果，相互结合、渗透，不断开拓新的领域，朝着研究一切自然过程的化学机制的方向前进。4）在解决与人类息息相关的诸如矿产资源、能源、环境与地震等问题中地球化学将提供大量的实际成果。同时，与其他学科一起为解决自然科学的重大基础理论问题生命起源、地球和天体的形成和演化等发挥更大的作用。3.主要学术机构和刊物50年代起，
14、有关地球化学的学术机构、刊物和研究队伍不断地出现。国际地质科学联合会（IUGS）和国际纯粹和应用化学联合会（IUPAC）都成立了地球化学的专门组织。1965年在巴黎成立了国际地球化学和宇宙化学学会（IUGC）。美国的地球化学研究队伍遍及全国各地，一些著名的大学和研究所都有许多名家在工作。如加州理工学院（Caltech），麻省理工学院（MIT），加州柏克利大学，斯坦福大学，联邦政府的美国地质调查所（USGS），私立的加内基研究院（Carnegie Institutionof Washington），拉蒙脱（Lamoto）观察站等。法国巴黎第六、第七大学、堪培拉国立澳大利亚大学、英国剑桥大学、俄罗
15、斯的莫斯科大学等是世界一流的地球化学研究中心。刊登地球化学文献的主要国际性学术刊物有：Geochimica et Cosmochimica ActaEarth and Planetary Science LettersContributions to Mineralogy and PetrologyJournal of Geochemical ExplorationJournal of Geophysics ResearchAmerican Journal of Science等，此外，还有日本的Geochemical Journal和俄罗斯的等。出版的专著和教科书，除已提到的外尚有B.Mas
16、on的Principles of Geochemistry（19521978）， Allegre的Introduction to Geochemistry（1973），和 Krauskopf的Introduction to Geochemistry（1978），和Faure的Principles and Application of Inorganic Geochemistry（1991）等。4.我国地球化学的发展我国的地球化学事业是在新中国成立以后才逐步发展起来的。1958年在中国科学院系统内建立了地球化学研究室，1964年扩大成为中国科学院地球化学研究所。50年代末在某些高等学校中设置了地球化学专业或系，70年代末又有一些高校建
