地球化學的研究方法和內容

⑴ 地球化學基本理論框架和技術方法體系

綜上所述,地球化學經過百年的積累,已形成了一套完整的理論體系和方法技術,可歸納為「現代地球化學基本理論框架和技術方法體系」:

1)地球和地質作用具有多層次時空結構,及對應於其物質能量系統的自發演化理論,和同位素地球化學定年技術方法。

2)原子結構特徵制約元素的基本地球化學習性理論,以及地質系統元素賦存狀態觀測方法。

3)地質作用過程地球化學熱力學參照系理論,與作用進程相圖平衡計算方法。

4)地球化學過程多重耦合動力學理論,及數字模擬計算和預測方法。

5)地球化學示蹤理論與成岩成礦物源追蹤和作用物理化學條件計算方法。

6)地球生命物質的階段式衍生進化及其與無機環境物質交換理論,與有機、環境和生態地球化學方法。

地球化學通過最近40年的迅猛發展,在思想、理論和技術方法上已經具備了「上天、入地、下海」全方位探索地球的能力,已成為解決當代全球性地學重大前沿問題——地球動力學及全球變化的主要支撐學科之一。這兩個領域科學問題的研究和進展,是解決當代人類面臨的礦產資源、能源、生態、環境、地質災害等危機的重要科學基礎,並且成為實現社會和經濟可持續發展戰略的科學支撐。

⑵ 什麼是地球化學

地球化學是研究地球的化學組成、化學作用和化學演化的科學,它是地質學與化學、物理學相結合而產生和發展起來的邊緣學科.自20世紀70年代中期以來,地球化學和地質學、地球物理學已成為固體地球科學的 三大支柱.它的研究范圍也從地球擴展到月球和太陽系的其他天體.
地球化學的理論和方法,對礦產的尋找、評價和開發,農業發展和環境科學等有重要意義.地球科學基礎理論的一些重大研究成果,如界限事件、洋底擴張、岩石圈演化等均與地球化學的研究有關.
地球化學發展簡史
從19世紀開始,一些工業國家逐漸開展系統的地質調查和填圖、礦產資源的尋找及開發利用促進了地球化學的萌芽.1838年,德國舍恩拜因首先提出「地球化學」這個名詞.19世紀中葉以後,分析化學中的重量分析、容量分析逐漸完善；化學元素周期律的發現以及原子結構理論的重大突破,為地球化學的形成奠定了基礎.
1908年,美國克拉克發表《地球化學資料》一書.在這部著作中,克拉克廣泛地匯集和計算了地殼及其各部分的化學組成,明確提出地球化學應研究地球的化學作用和化學演化,為地球化學的發展指出了方向.挪威戈爾德施密特在《元素的地球化學分布規則》中指出化學元素在地球上的分布,不僅與其原子的物理化學性質有關,而且還與它在 晶格中的行為特性有關.這使地球化學從主要研究地殼的化學紐成轉向探討化學元素在地球中分布的控制規律.
1922年費爾斯曼發表《俄羅斯地球化學》一書,系統論述了各地區的地球化學,是第一部區域地球化學基礎著作.1924年維爾納茨基發表了《地球化學概論》一書,首次為地球化學提出了研究原子歷史的任務,最先注意到生物對於地殼、生物圈中化學元素遷移、富集和分散的巨大作用.1927年他組織和領導了世界上第一個地球化學研究機構——生物地球化學實驗室.
與此同時,放射性衰變規律的認識、同位素的發現、質譜儀的發明與改進,導致了同位素地球化學,特別是同位素地質年代學的開拓.1907年美國化學家博爾特伍德發表了第一批化學鈾-鉛法年齡數據.30～40年代鈾-釷-鉛法、鉀-氬法、 鉀-鍶法、普通鉛法、碳-14法等逐步發展完善,使同位素地質年代學初具規模.
20世紀50年代以後,地球化學除了繼續把礦產資源作為重要研究對象以外,還開辟了環境保護、地震預報、海洋開發、農業開發、生命起源、地球深部和球外空間等領域的研究.地球化學分析手段飛速發展,廣泛應用超微量、高靈敏度的分析測試技術和儀器,配合電子計算機的使用,不僅可獲得大量高精度的分析數據,而且可以直接揭示樣品中難於觀測的元素及其同位素組成的細微變化和超微結構.
在這個時期,中國在元素地球化學、同位素地質年代學方面也取得了一批重要成果,如1961年李璞等發表了中國第一批同位素年齡數據；1962年黎彤等發表了中國各種岩漿岩平均化學成分資料；1963年中國科學院完成了中國鋰鈹鈮鉭稀土元素地球化學總結,提出了這些礦種的重要礦床類型和分布規律.
地球化學的基本內容
地球化學主要研究地球和地質體中元素及其同位素的組成,定量地測定元素及其同位素在地球各個部分(如水圈、氣圈、生物圈、岩石圈)和地質體中的分布；研究地球表面和內部及某些天體中進行的化學作用,揭示元素及其同位素的遷移、富集和分散規律；研究地球乃至天體的化學演化,即研究地球各個部分,如大氣圈、水圈、地殼、地幔、地核中和各種岩類以及各種地質體中化學元素的平衡、旋迴,在時間和空間上的變化規律.
基於研究對象和手段不同,地球化學形成了一些分支學科.
元素地球化學是從岩石等天然樣品中化學元素含量與組合出發,研究各個元素在地球各部分以及宇宙天體中的分布、遷移與演化.在礦產資源研究中,元素地球化學發揮了重要作用,微量元素地球化學研究提供了成岩、成礦作用的地球化學指示劑,並為成岩、成礦作用的定量模型奠定了基礎.
同位素地球化學是根據自然界的核衰變、裂變及其他核反應過程所引起的同位素變異,以及物理、化學和生物過程引起的同位素分餾,研究天體、地球以及各種地質體的形成時間、物質來源與演化歷史.同位素地質年代學已建立了一整套同位素年齡測定方法,為地球與天體的演化提供了重要的時間座標.
比如已經測得太陽系各行星形成的年齡為45～46億年,太陽系元素的年齡為50～58億年等等.另外在礦產資源研究中,同位素地球化學可以提供成岩、成礦作用的多方面信息,為探索某些地質體和礦床的形成機制和物質來源提供依據.
有機地球化學是研究自然界產出的有機質的組成、結構、性質、空間分布、在地球歷史中的演化規律以及它們參與地質作用對元素分散富集的影響.生命起源的研究就是有機地球化學的重要內容之一.有機地球化學建立的一套生油指標,為油氣的尋找和評價提供了重要手段.
天體化學是研究元素和核素的起源,元素的宇宙豐度,宇宙物質的元素組成和同位親組成及其變異,天體形成的物理化學條件及在空間、時間的分布、變化規律.
環境地球化學是研究人類生存環境的化學組成化學作用、化學演化及其與人類的相互關系,以及人類活動對環境狀態的影響及相應對策.環境地球化學揭示了某些疾病的地區性分布特徵及其與環境要素間的關系.
礦床地球化學是研究礦床的化學組成、化學作用和化學演化.著重探討成礦的時間、物理化學條件、礦質來源和機理等問題.它綜合元素地球化學、同位素地球化學、勘查地球化學和實驗地球化學等分支學科的研究方法和成果,為礦產的尋找、評價、開發利用服務.
區域地球化學是研究一定地區某些地質體和圈層的化學組成、化學作用和化學演化,以及元素、同位素的循環、再分配、富集和分散的規律.它為解決區域各類基礎地質問題、區域成礦規律和找礦問題以及區域地球化學分區與環境評價等服務.區域地球化學揭示的元素在空間分布的不均勻性,為劃分元素地球化學區和成礦遠景區提供了依據.
勘查地球化學是通過對成礦元素和相關元素在不同地質體及區帶的含量和分布研究,找出異常地段,以便縮小和確定找礦及勘探對象.除直接為礦產資源服務外,它也是環境評價及國土規劃的重要參考.
地球化學的一些重大成果是各分支學科綜合研究的結果.如隕石、月岩與地球形成的同位素年齡的一致,表明太陽系各成員形成獨立宇宙體的時間是大致相同的.又如微量元素和同位素研究,導致發現地幔組成的不均一性(垂向的和區域的),提出了雙層地幔模型,加深了對地球內部的認識.天體化學、微量元素和同位素地球化學研究,還為新災變論提供了依據.
在研究方法上,地球化學綜合地質學、化學和物理學等的基本研究方法和技術,形成的一套較為完整和系統的地球化學研究方法.這些方法主要包括：野外地質觀察、采樣；天然樣品的元素、同位素組成分析和存在狀態研究；元素遷移、富集地球化學過程的實驗模擬等.
在思維方法上,對大量自然現象的觀察資料和岩石、礦物中元素含量分析數據的綜合整理,廣泛採用歸納法,得出規律,建立各種模型,用文字或圖表來表達,稱為模式原則.
隨著研究資料的積累和地球化學基礎理論的成熟和完善,特別是地球化學過程實驗模擬方法的建立,地球化學研究方法由定性轉入定量化、參數化,大大加深了對自然作用機制的理解,現代地球化學廣泛引入精密科學的理論和思維方法研究自然地質現象,如量子力學、化學熱力學、化學動力學核子物理學等,以及電子計算技術的應用使地球化學提高了推斷能力和預測水平.
當前地球化學的研究正在經歷三個較大的轉變：由大陸轉向海洋；由地表、地殼轉向地殼深部、地幔；由地球轉向球外空間.地球化學的分析測試手段也將更為精確快速,微量、超微量分析測試技術的發展,將可獲得超微區范圍內和超微量樣品中元素、同位素分布和組成資料.低溫地球化學、地球化學動力學、超高壓地球化學、稀有氣體地球化學、比較行星學等很有發展前景.

⑶ 地球化學的基本任務

地球化學研究內容經歷了一個歷史演變過程。地球化學創始階段，其研究內容局限為研究「地殼中的原子（包括自然界出現的90多種化學元素和常見的340多種同位素的原子）」和「元素的行為」。現代地球化學則強調「地球的化學組成」、「化學作用」和「化學演化」。從目前地球化學研究對象來看，地球化學的基本任務主要如下：

（1）研究地球（也包括部分天體）的化學組成

這是地球化學最基本的研究內容，它涉及地球（也包括部分天體）中元素及其同位素的組成和時空變化。20世紀30～40年代，地球化學學科建立之時，大量的工作是關於地殼和地殼不同部位、不同地塊、不同地質體中各種元素含量和分布的研究。後來，隨著地球化學的發展，認識步步深入，逐漸開展了地球各個層圈、地外部分天體的化學組成研究。現在開展的區域地球化學研究、全球地球化學填圖等科技計劃是這一任務的現實體現。

（2）研究地球（也包括部分天體）的化學作用

地球化學的第二大任務是研究地球各個層圈中（也包括部分天體）發生的地球化學作用。這些地球化學作用豐富多彩、千變萬化。地球上發生的隕石雨、地震、火山爆發、崩塌、滑坡、泥石流等地質災害是激烈的、易於發現或覺察的，但地殼運動、岩石風化、礦床的形成、化學物質的遷移轉化等是緩慢的、不易發現的。不管是激烈的還是緩慢的地質作用過程，都包含了豐富的地球化學作用。描述這些地質作用，發現這些地質作用過程中的化學作用規律，模擬並以簡化的形式展示這些地球化學作用過程，將這些地質過程的化學作用原理應用並解決人類工程技術問題（例如地球化學工程等）等，是地球化學研究的重要任務。

可以列舉幾個方面內容：

1）研究地球演化過程的各種地球化學作用中化學元素的活動性。主要是闡明化學元素在不同物理化學條件的介質中活化、遷移和集中分散的規律，這涉及個別元素化學性質及其行為的研究，包括化學元素的來源，其活化的驅動力以及遷移途徑和搬運形式，沉澱富集的規律。著重研究地球演化歷史和過程，研究地球各層圈化學元素及其同位素的分布、遷移和集中分散規律，並運用這些規律去解決地學有關理論和實際問題。顯然，這些方面的研究成果是建立礦床地球化學模式和環境地球化學模式必不可少的資料。

2）研究化學元素的結合規律。地球化學也研究化學元素在不同固相（主要是各種地質體，也涉及工業固體廢物）中以各種形式相互結合在一起形成獨立礦物的規律，也就是研究元素的共生組合和賦存形式。這裡麵包括元素的分配及其晶體化學控制問題，包括元素的物態、鍵型、價態、在晶體構造中的配位位置以及化合物種類和形式等等。

3）研究不同地球化學過程的化學反應機理。地球化學還研究促使化學反應的物理化學條件和元素地球化學參數，並據以闡述地球化學作用過程所發生的化學反應機理。應用地球化學熱力學方法研究地質作用的化學反應方向，運用地球化學方法研究地質作用的化學反應過程和機理。

（3）研究地球（也包括部分天體）的化學演化

地球是有生命的，已經演化了46億年，還要繼續演化發展。地外天體成員也是有生命的，也存在過去的演化歷史和將來的演化發展。地球化學的第三大任務是研究地球（也包括部分天體）的化學演化問題。對地球化學演化的研究，尤其要注重各層圈（尤其地殼）不同演化階段的化學元素及其同位素的組成和演化特徵，也要注重某區域、某地質體、某組成岩石和某礦物中的化學元素及其同位素的組成和演化特徵。對太陽系的化學演化的研究，要注重太陽星雲的化學成分、分餾和凝聚，太陽系各行星與小天體（衛星、小行星、彗星、宇宙塵等）的化學組成和演化特徵。

⑷ 地球化學的研究思路

地球化學是20世紀初期由地質學與化學類學科結合產生的一門邊緣學科。現在它已經形成了自己獨立的研究思路和研究方法，地球化學的基本研究思路可概括為：

（1）自然過程在形成宏觀地質體的同時也留下了微觀蹤跡，其中包括了許多地球化學信息。如造成了系統各部分常量、微量元素和同位素組成的變化，元素相互結合和賦存狀態的改變，等等。這些微觀蹤跡中包含著重要的地球演化信息，地球化學就是通過識這些微觀蹤跡來追索地球歷史的。

（2）自然界物質的運動和存在狀態是環境和體系介質條件的函數。地球化學將任何自然過程都看成是熱力學過程，應用現代科學理論來解釋自然體系化學變化的原因和條件，使有可能在更深層次上探討和認識自然作用的機制。

（3）地球化學問題必須置於地球或其子系統（區域岩石圈、殼、幔）中進行分析，以系統的組成和狀態來約束作用過程的特徵和元素的行為。

由於地質作用規模宏大、時間持久、作用因素復雜且多次作用疊加，地球化學研究必須觀察和分析多種變數，確立多層次的指標，才有可能追蹤地球的歷史。

⑸ 地球化學的基本思想及主要研究內容

自然科學的學科發展都會受到所處時代科學和技術總體水平的制約及社會需求的推動,因而在其發展的不同階段,每門學科的主導思想、主要任務、研究內容和范圍,甚至定義不是一成不變的。可以根據不同發展階段地球化學家給出的地球化學定義,或關於地球化學主題和任務的表述,來把握地球化學的基本學術思想、研究內容、范圍和任務及其發展趨勢。

地球化學奠基人之一,蘇聯維爾納斯基 (В.И.Вернадский)於 1922年給出的地球化學定義為:「地球化學科學地研究地殼中的化學元素,即地殼的原子,在可能范圍內也研究整個地球的原子。地球化學研究原子的歷史,它們在空間和時間上的分配和運動,以及它們在地球上的成因」。同期該學派另一代表人物費爾斯曼 (Α.Е.Ферсман)提出了類似的定義:「地球化學研究地殼中化學元素——原子的歷史及其在自然界各種不同的熱力學和物理化學條件下的行為」。

地球化學的另一重要奠基人 (北歐學派)戈爾德施密特 (V.M.Goldschmidt)於1933年給出的地球化學定義為:「地球化學的主要目的,一方面是要定量地確定地球及其各部分的成分,另一方面是要發現控制各種元素分配的規律」。在他逝世後 1954年出版的《地球化學》中,對地球化學學科做了如下闡述:「地球化學的主要目標是,一方面定量地確定地球及其各部分的成分,另一方面發現控制各種元素分配的規律。要解決這些問題,地球化學家就需要綜合搜集地球物質,諸如岩石、水和大氣等的分析測試數據,還需要進行隕石分析,以及應用其他宇宙體成分方面的天體物理學數據和有關地球內部物質性質方面的地球物理學數據。許多有價值的信息還來自一些礦物的合成實驗,以及對合成礦物形成方式和穩定條件的研究」。

隨著20 世紀 50～60年代地球化學的迅猛發展,1973年美國國家科學院委託地球科學部地球化學委員會組成小組,專門研究當時地球化學的發展狀況,並指出地球化學未來的發展方向,發表了《地球化學發展方向》(Orientations in Geochemistry)一書。該書對當時地球化學主要領域的重要進展做了總結,並根據當時地球化學發展的特徵給出了地球化學定義:「地球化學是關於地球和太陽系的化學成分及化學演化的一門科學,它包括了所有對它做出貢獻的科學的化學方面 (編者注:這里所指的對地球化學做出貢獻的科學包括化學、生物學、物理學、天文學、醫學、大氣科學、環境科學等,因這些科學的數據和成果為地球化學所引用和借鑒)」。同時該書還補充指出:「地球化學包括太陽系由之形成的宇宙塵化學,增生著的地球、月球和行星的化學,地殼、地幔和地核的化學,岩石循環的化學 (包括侵蝕、搬運、沉積和隆起),海洋和大氣圈的化學演化,岩石中有機物質的化學。於是,一切包容於地球和行星演化范疇中的化學就是地球化學」。

1982年由我國著名地球化學家塗光熾院士等編著的《地球化學》,將地球化學的定義概括為:「地球化學是研究地球 (也包括部分天體)的化學組成、化學作用及化學演化的學科」。

由上述地球化學定義和內涵的發展可以看出,在不到百年的短短發展過程中,有關地球化學的基本思想、主要研究對象、內容、任務和范圍均發生了重大變化,表現為:地球化學研究對象已由強調地球的元素 (原子)的地球化學行為擴展到強調地球及其子系統的化學;地球化學學術思想已由地球中元素原子分配、遷移的歷史觀提升到地球系統及其子系統化學演化的歷史觀;地球化學的主要研究內容和任務已由確定地球的化學成分或元素豐度及闡明元素分配規律轉變為強調研究地球的化學組成、化學作用及化學演化;地球化學的研究范圍則由早期僅限於地殼已發展到現今研究地球的各個層圈及眾多的天體。

因此,如何能從認識上理清和把握地球化學思想和內涵演變的脈絡,協調處理地球化學早期階段和現階段思想、對象、內容和任務的相互關系,是推動我國現代地球化學研究發展的關鍵。要全面地解決上面提出的問題,必須聯系基礎自然科學整體和地球科學發展歷史和現狀,結合當前社會經濟發展的需求,從現代地球化學發展的理論和方法技術中尋求答案。

⑹ 地球化學的研究方法

地球化學的每種理論,應用於解決地學問題,均構成一種研究方法。地球化學的基本研究方法主要是對地球系統及其各級子系統進行觀察、取樣分析、歸納和演繹研究;其次是實驗模擬研究及數字模擬研究。現就地球化學一般研究方法簡述如下。

1.地球化學野外工作方法

這里涉及的主要是人們肉眼可以直接觀察的固體地球部分研究,至於大氣圈、海洋和地外天體等研究方法,以及隕石的收集和研究,有專門書籍論述,在此不再介紹。

地球化學野外工作的目的是:觀察了解宏觀地質體的物質類型、結構構造及它們在時間和空間上的相互關系,在此基礎上系統觀察和收集寓於各地質體中的地球化學記錄和信息,並採集具有明確代表對象和意義的樣品。當然,觀察收集信息及取樣的側重點應因研究目的不同而有所差別。

因為地球化學運動和作用寓於地質運動和作用之中,所以必須首先較好地了解研究區的地質背景,把握所研究地質作用的產物的特徵和礦物岩石組成、結構構造及它們之間的時空關系和序列。這些均屬於地質學的觀察研究內容,可按地質編錄或制圖法進行。這部分工作是地球化學研究的重要前提和必要基礎,是地球化學研究客觀性的根本保證。

在野外觀察建立了較好的地質研究的基礎上,必須重視各類地質體中地球化學記錄和信息的觀察和收集,力求在野外工作階段就能形成地球化學研究的構想或工作假設,從而保證室內研究能更有效地開展。常見一些年輕地球化學家研究中只有野外地質觀察而缺乏基本的野外地球化學信息收集,似乎認為地球化學研究對象僅限於化學元素和同位素微觀層次。地球及其層圈中的化學作用絕大多數都是通過化合物 (礦物)或物相之間的反應實現的,元素原子的相互作用只是這種反應的內在根據。化學、地學和地球化學今天的發展,已使地球化學從地質體的觀察中直接獲取地球化學信息成為可能。典型研究方法範例,見博伊爾 (R.W.Boyle)1979年出版的《金的地球化學及金礦床》。

如何進行野外地球化學觀察和信息收集? 通常地球化學可以廣泛應用礦物化學、岩石化學、化學及物理化學的知識和理論指導地質體的觀察。例如,根據地質體的岩石和礦物組成,不需化學分析就可知道它們的大致化學組成,基於礦物間受類質同象控制的元素分配規律,還可粗略推測它們中比較集中的微量元素種類和組合;石灰岩是強鹼弱酸的鹽類,其岩層可起著天然溶液酸鹼度調劑的作用,是影響元素遷移的鹼性障;觀察組成岩石的礦物共生組合及礦物的交代關系,可為應用相平衡理論研究地球化學作用奠定基礎。例如,在硫化物礦床氧化露頭中見到方鉛礦 (PbS)依次被鉛礬 (PbSO₄ )和白鉛礦(PbCO₃ )交代的現象,就可推斷硫化物礦石的氧化應依次經歷硫酸鹽和碳酸鹽階段,其環境應先是酸化、而後向鹼性過渡,從而提出進一步檢驗這種推斷的設想。此外,從物理化學觀點看來,天然溶液進入張性裂隙是外壓力的突然降低,岩石的糜棱岩化實質為物質顆粒變細增加表面能,從而增強化學反應速率,等等。通過地質地球化學野外觀察,收集到足夠的地球化學信息,再結合地質背景、條件與研究的目的,就可形成進一步研究的構想。

樣品採集必須注意的關鍵問題是,樣品應能確切地代表所要研究的地質對象,盡可能詳細地了解其產出的地質背景、環境和條件;符合所要研究的目的。例如,為了解原始岩石成分需採集新鮮的岩石樣品,為研究蝕變過程應按剖面採集原岩、半蝕變岩石到全蝕變岩石的系列樣品。樣品的規格和重量按需進行測試方法的要求確定;每種樣品採集的數量應以具有統計學上的一定代表性為准。

2.地球化學室內研究方法

地球化學室內研究包括樣品的加工、分選、預處理、岩石礦物鑒定和分析測試、數據處理,以及綜合分析得出結論的全過程。

在野外觀察和鑒別的基礎上,為了准確鑒定礦物、岩石、礦石的成分和類別,確定礦物-流體相間反應關系,常需進行偏光和反光顯微鏡觀察,對微粒和微區研究可以應用電子顯微鏡、X射線分析法、電子探針等儀器進行精確分析和鑒定。這方面需要特別強調的是,准確地鑒定礦物和岩石只是目的之一,而詳細觀察和了解岩石和礦石中礦物間的相平衡和反應-交代關系,以及礦物晶粒中的環帶結構和成分變化等,具有更深入層次的意義。現代高精度的實驗觀測技術為實時實地准確地觀測微細地球化學作用過程提供了條件。

為了獲取各類地質對象的化學成分,除主量元素可應用常規化學或儀器分析方法測定外,其餘大多數測定項目為微量組分,含量一般為克拉克值級次。對於這些微量元素的測定需要使用靈敏精確的分析技術,靈敏度一般要求達到 10^-6～10^-9。在這方面,現在常用的分析方法有:發射光譜分析、原子吸收光譜分析、火焰光譜分析、離子選擇電極法、中子活化分析、等離子體光量計分析、質譜分析,以及一些專項分析技術,如測汞、測金、放射性測量等。可以根據研究目的,選用適用的方法,在滿足靈敏度和精度要求的前提下,應考慮便捷、經濟的原則,避免過度追求高精度、過多測試項目等。

進行同位素定年和同位素組成測定的樣品,需根據樣品性質、估計的可能年代范圍,以及各種定年法和同位素測定分析法的特點和要求,選擇質譜分析的類型及進行樣品的制備和測定。

元素結合形式和賦存狀態是制約元素地球化學行為及活動性的重要因素。其中主量元素形成各自的礦物或獨立相,它們的結合形式根據礦物學的鑒定和研究確定。對不形成獨立礦物的元素的賦存形式以及細粒岩石 (頁岩、黏土沉積物、土壤等)中元素的賦存形式,則需應用專門的綜合測試方法解決,包括:晶體光學法、物性和物相分析法、X射線分析法、電子探針等微區分析法,以及化學偏提取法、電滲析法、放射性乳膠照相法等。

地球化學作用的物理化學條件的確定包括測定和計算兩類方法。如礦物流體包裹體測溫和測壓屬於測定法;礦物溫度計、微量元素溫度計、同位素溫度計等為測定和計算相結合的方法;而體系的pH、E_h、

、鹽度、離子強度、礦化度等參數則是通過熱力學和化學平衡計算獲得。

在取得了上述各種實際資料和數據後,研究就進入了數據處理和資料整理,進而綜合提煉並得出科學結論的階段。數據處理和資料加工包括,按照研究的目的,應用地球化學多元統計分析的方法 (相關分析、判別分析、因子分析、聚類分析等)揭示研究對象數據和參數的分布形式、變異特徵、相關程度、元素共生組合及其影響因素等;根據解決問題的設想,編制各種圖件和表格等。此後,研究就進入了由客觀向主觀認識轉化上升的思維過程,在這方面,辯證唯物主義認識論和前述的地球化學方法論具有關鍵性的指導意義。

3.地球化學實驗模擬和數字模擬

開展實驗研究,尤其高溫高壓條件下的實驗研究,是地球化學探索必不可少的一種手段。實驗研究的內容主要包括:地球化學所需自然化合物 (礦物)和化學物種熱力學性質和參數的確定,元素在各種共存相間分配系數及同位素分餾系數的測定,極高溫度和壓力下礦物相變及超臨界水流體溶液物理化學性質的研究,以及各類地球化學作用實驗模擬的研究。這些實驗使地球化學應用物理化學原理和進行定量計算成為可能,為地球化學對深部地幔物質成分的判斷提供參考,使地球化學對各種自然和人為作用過程和機制的了解更加精確和深化。

在開展地球化學作用的實驗模擬時,應注意使實驗體系和條件盡可能地接近自然界的實際,這樣才能獲得有效和可信的結果。

各種地球化學體系的數字模型化研究 (如,岩漿作用過程中微量元素分配的定量模型),以及地殼、地幔、海洋等復雜體系的數字或計算機模擬,近年展現出不斷增多的趨勢被稱為計算地球化學。計算地球化學既是地球化學向定量化發展的必然結果,同時也是對許多難以進行實驗模擬的復雜自然體系定量研究的一種補充。

地球化學體系和作用過程的定量化數字模擬或建模,現在已廣泛應用於解決地球化學問題,其中包括地球化學體系的質量收支平衡、反應的化學平衡、系統動力學、物質輸運過程,以及上地幔、洋盆和岩漿房的化學演化等。地球化學數字模擬和建模的專著,如Francis Albarède 撰寫的 Introction to Geochemical Modeling (1995),Bethke 所著的Geochemical Reaction Modeling (1996 )和 Geochemical and Biogeochemical Reaction Modeling (2008)。我們必須高度重視這一發展趨勢。

⑺ 地球化學的基本觀點和方法論

從現代地球化學主要研究地球及其子系統的化學組成、化學作用和化學演化看來,下面的基本觀點及其方法論的意義最為重要。

1)地球化學系統觀點,這里特別強調系統的組成和狀態制約其化學過程和元素行為的特徵。例如,在表生和內生地球化學系統中鐵和錳均顯示出不同的化學行為;不同地區由於地殼和地幔組成和溫壓等狀態的差異,成岩和成礦的特徵明顯不同;地球由於溫度適中和存在液態水,得以發展出繁茂的生物圈,從而導致地球具有含自由氧的大氣圈及長英質成分的地殼,這些均為地球完全不同於太陽系其他行星的特殊性。地球化學與化學的區別在於自然地球系統在組成和狀態上較之實驗室和工廠中人為的化學系統具有無比的復雜性。這一觀點的方法論意義在於研究任何地球化學問題,都須置於它所處的系統中來考察,以系統的組成與狀態來約束所研究過程的性質和特徵。如地殼是一種地球化學系統,它在某一時期的元素豐度既構成系統的一種狀態參數制約著地殼中化學作用和元素行為,又是地殼發展的階段狀態,通過不同時期地殼組成的對比就可揭示地殼的化學演化。因此,不應僅僅將地殼元素豐度視為度量局部地區和地質體元素富集或貧化程度的標尺。

2)寓於地球系統物質運動中的化學運動同力學運動、物理學運動和生物學運動相互依存、相互制約和相互轉化的觀點,這里強調不同形式運動的相互作用和相互制約的方法論意義。地球系統物質運動中化學形式的運動不是孤立的,而是與其他形式運動緊密聯系和相互制約的,因此地球化學研究雖然重點探討化學運動,但應重視地質學和地球物理學的實際資料和認識成果對地球化學立論的約束。同時由於我們是通過寓於地球和地質運動中的化學運動的研究來探索和解決地學問題,所以就可歸納為如下方法論:善於將地學和地質問題剖析為地球化學性質的問題來研究,以發揮地球化學學科的優勢。例如,對於如何證明板塊構造學說所設想的洋殼俯沖的地質學問題,就可將這個問題剖析為證明會聚板塊俯沖帶中同構造期的島弧玄武岩的地幔源區中是否有洋殼物質捲入的地球化學問題,這樣研究可發揮地球化學示蹤的專長。

3)地球層圈相互作用與物質和元素循環的觀點。地球形成初期分異出層圈之後,化學組成、溫度和壓力迥異的各層圈之間,必然會發生強烈的相互作用,表現為層圈間的物質交換、能量輸運及動量傳遞,推動著地球的運動和發展。因此,地球化學應以地球層圈相互作用為主線,以揭示物質和元素的循環為手段,進行地學和地質問題的研究。這一方法論對於現代地球化學從事地球系統重大問題研究更為重要。

4)歷史地球化學觀點,強調地球系統的總體演化及寓於其中的化學演化具有循環性和不可逆性,即螺旋式上升規律。循環性 (或旋迴性)表現為相似的地質作用或事件,在地球歷史中可以多次重復發生,如各地質時代均有沉積作用發生;不可逆性表現為同一種自然作用隨時間推移其性質和特徵是單向發展的。例如,沉積鐵礦能出現於不同地史階段:前寒武紀以形成海相條帶狀鐵硅建造為特徵,元古宙晚期以沉積濱海相的鮞狀赤鐵礦床 (鮞狀赤鐵礦、鮞綠泥石、菱鐵礦)為特徵,而後顯生宙則主要形成湖相-沼澤相沉積鐵礦床 (水針鐵礦、鱗綠泥石)。這種演化規律主要是受大氣圈從無自由氧到出現自由氧再到自由氧含量水平提高,致使地表環境由還原→弱氧化→較強氧化的轉變的規律所控制。因為,這可以改變鐵的價態,從而影響鐵在表生作用中遷移活動性的變化。根據地球演化的螺旋式上升這一普遍規律,在地球化學研究中,應始終堅持以發展論和階段論思想為指導。按照這一方法論,在特定歷史階段中可以進行一定程度的將今論古,但總體上必須堅持發展論,不應超越階段進行類比。當然,還需考慮突變的發生。

5)各類地質體的化學物相、元素和同位素組成、物相反應關系及相應參數為地球化學事件記錄的觀點,這里強調善於從地質體觀察中獲取地球化學信息的能力。因為除了地表正在進行的地質-地球化學作用可以直接觀察研究外,絕大多數作用或發生於地球深部,或已完成結束於地球歷史時期,無法對這些作用過程進行自始至終的正序研究,只能根據作用過程遺留在各類地質體中的產物和遺跡反序地追索地球的化學作用和化學演化。

⑻ 環境地球化學的研究手段

環境地球化學運用各類專門器具，採集地表、水下和空中的無機和有機樣本。為確定環境樣本中化學元素的含量和組合，各種成分分析儀器和質譜計、能譜儀是它的必備手段。經常採用的研究方法有下面幾種。 即緊緊抓住所瞄準的元素，研究它在環境中運動的各個環節或在各種介質中的地球化學行為。
環境檔案研究法
樹木年輪、冰岩心、湖泊沉積、海灣沉積、深海沉積、珊瑚、黃土、古土壤、河流泥沙、沉積岩、花粉、包裹體等都不同程度地記錄下了它們形成時的環境條件，如溫度、濕度、化學成分、生物量、火山噴發、地磁場、海平面和太陽活動等，因此它們可看成是環境變化的「檔案」材料。不同的檔案材料有不同的環境信息量和時間解析度。有目的地研究這些檔案材料，可提取出過去環境變化的寶貴信息。

⑼ 元素地球化學的研究方法

主要有以下方法：
①為了確定元素的分布、分配及存在形式，應用具有高靈敏度、高精度、經濟、迅速等特點的現代物理、化學的測試方法，這是元素地球化學研究的基礎。
②各種地球化學模擬實驗，對於了解元素在地質作用中的遷移形式、沉澱富集條件、礦物形成條件及穩定范圍，以及元素的地球化學行為等是很重要的手段。
③運用物理化學、熱力學的基本理論來分析元素的地球化學規律。相律、自由能、生成熱等熱力學計算方法，可以從理論上分析地球化學作用進行的方向和限度，以及元素在共存相（礦物）之間分配規律。
④元素地球化學研究,要處理大量的分析數據，正確地應用數理統計和電子計算機方法，有助於深入地、科學地反映元素的地球化學活動規律。

⑽ 地球科學的研究對象和研究內容

人類生活在地球上，衣食住行等一切活動都離不開地球。如人們要靠山川大地獲取生活資料以維持生命，要從地球中開采礦物資源製造生產和生活工具，要了解地球上的自然地理和氣候條件以便發展生產，要與地球上發生的各種自然災害作斗爭。因而，人類在長期的實踐中逐步加深了對地球的認識，並且逐漸形成了一門以地球為研究對象的科學——地球科學（geoscience）。

地球科學簡稱地學，是數學、物理學、化學、天文學、地學、生物學六大基礎自然科學之一。地球科學以地球為研究對象（圖0-1），包括環繞地球周圍的氣體（大氣圈）、地球表面的水體（水圈）、地球表面形態和固體地球本身。至於地球表面的生物體（生物圈），由於其研究內容廣、分支學科較多、研究方法具有特殊性，因而已獨立成一門專門的基礎自然科學——生物學。但生物的起源與演化、生物體與生存的地球環境之間的關系也屬於地球科學的研究范疇。

圖0-1 地球系統（包括各圈層子系統）及其宇宙環境

作為地球科學研究對象的地球，實際上由多個性質不同的圈層組成；從地心到大氣層的最外側，可分為地核（包括內核、過渡層和外核）、地幔（包括下地幔和上地幔）、地殼（或岩石圈）、水圈、生物圈（包括人類圈）和大氣圈等，它們共同組成一個相互依存、相互作用的統一系統，稱為地球系統；地球系統的各個圈層屬於其子系統，子系統還可進一步分為不同的級次。整個地球系統處於不斷地運動、變化過程之中。地球空間以外的地月系、太陽系、銀河系等構成了地球系統的宇宙環境。現代地球科學為了更深入地認識地球系統的運動、變化特徵與規律，已將其研究對象擴展到了地球系統的宇宙環境（圖0-1）。

地球科學是一門理論性和應用性都很強的科學。它不僅承擔著揭示自然界奧秘與規律的科學使命，同時也為生活在地球上的人類如何利用、適應和改造自然提供科學的方法論。隨著生產和科學技術的發展，地球科學的研究內容和領域也在不斷地深入和擴展，逐漸形成了日臻完善的由多學科組成的綜合性學科體系。地球科學目前主要包括地質學、地球物理學、地球化學、地理學、氣象學（或稱大氣科學）、水文學、海洋學、土壤學、環境地學、地球系統科學等學科。其中，地質學由於其研究領域廣博、分支學科較多，並且以研究地球的本質特徵為目的，因而成為地球科學的主要組成部分，以至於人們有時把地質學和地球科學作為同義語使用，其實兩者的含義是有差別的，它們具有包容關系。隨著科學的發展，地球科學還會不斷地誕生新的學科和出現一些邊緣學科。

地理學（geography）主要研究地球表面的各種地形、地理環境及其結構、分布和演變規律，並涉及自然和社會兩個領域之間的相互關系。地理學一般可分為自然地理學和人文地理學兩大組成部分。自然地理學是研究自然地形、地理環境的結構及發生、發展規律的學科，主要包括普通自然地理學、區域自然地理學、地誌學等。人文地理學是研究人和社會與自然地形、地理之間的相互關系的學科，主要包括政治地理學、社會地理學、人口與聚落地理學、經濟地理學、歷史地理學等。

氣象學（meteorology）以地球周圍的大氣圈為研究對象，主要研究大氣的物質組成、各種物理性質、物理現象及其變化規律。其研究內容很廣泛，包括許多分支學科和應用學科；其目的在於揭示大氣中的各種物理現象和物理過程的發生、發展本質，從而掌握並應用它為人類生活和國家經濟建設服務。氣象學的主要分支學科有大氣物理學、天氣學、氣候學、高空氣象學、動力氣象學等；主要的應用學科有衛星氣象學、無線電氣象學、航空氣象學、海洋氣象學、農業氣象學、林業氣象學等。

水文學（hydrology）和海洋學（oceanography）以地球表面分布的水體為研究對象。水文學主要研究地球上江河、湖沼、冰川、地下水以及海洋等各種水體的數量、質量、運動變化與分布規律，以及它們與地理環境、生態系統和人類社會之間的相互影響與相互聯系。海洋學是以海洋作為一個獨立體進行研究的，它實際上是從地球科學的其他幾個分支學科中獨立出來的，這是由於海洋在現代地球科學、人類生存環境和未來社會發展中的地位越來越重要的緣故。海洋學是研究海洋中發生的各種現象和規律及其相互關系的各門學科的總稱，根據研究內容不同可分為物理海洋學、海洋水文學、海洋化學、海洋生物學、海洋氣象學和海洋地質學等。

土壤學（soil science）以地球表面發育的土壤層為研究對象。主要研究土壤的物質組成、結構、類型、分布和形成發展過程。根據具體研究內容和應用領域的不同，土壤學也有一些分支學科，如土壤生物學、土壤地理學、土壤氣候學、土壤物理學、土壤化學、土壤地質學等。

地球物理學（geophysics）是應用物理學的方法研究地球的一門學科，是近代發展起來的地球科學與物理學相結合的一門重要邊緣學科。廣義的地球物理學的研究對象包括固體地球及其表部的水體和周圍的大氣圈。但由於水體和大氣圈的研究都已建立起相應的獨立學科，所以一般所稱的地球物理學是狹義的，其主要研究對象是固體地球，因而也可稱之為固體地球物理學。地球物理學重點研究固體地球的各種物理性質、物理現象及其發生與發展過程、地球的內部構造與組成、地球的起源與演化等。其主要分支學科有地震學、地磁學、重力學、地熱學、地電學、大地測量學、大地構造物理學和應用地球物理學等。其中，應用地球物理學主要是研究地球物理勘探方法及其在地球資源的勘探與開發、地球環境的監測與保護等方面的應用。

地球化學（geochemistry）是應用化學的方法研究地球的一門學科，也是近代發展起來的地球科學與化學相結合的一門邊緣學科。地球化學主要是研究地球及其子系統（含部分宇宙體）的化學組成、化學作用和化學演化的科學。其主要分支學科有元素地球化學、同位素地球化學、岩石地球化學、礦床地球化學、區域地球化學、海洋地球化學、生物地球化學、環境地球化學、宇宙化學、地球化學熱力學等。

地質學（geology）研究的主體對象也是固體地球，當前主要是研究固體地球的表層——地殼或岩石圈。地殼或岩石圈的厚度一般為幾十千米到300 km左右，與地球的半徑（平均約6371 km）相比只是一個很薄的表殼。這一薄殼之所以成為地質學當前研究的主要對象，一方面是出於實際需要，因為這一層與人類的生活、生產及生存直接相關；另一方面是受現時人類能力的限制。人們可以直接觀測和研究地球表層，但現階段人類尚無能力對地下深處進行直接研究。鑽井取樣是目前人們獲取地球較深部物質進行直接研究的唯一途徑，但由於受當前技術水平的限制，鑽井所能達到的深度是有限的。目前世界上最深的鑽井（12.5 km）位於俄羅斯西北部的科拉半島，這一深度尚不足該區大陸地殼厚度的1/2。可以相信，隨著科學技術的發展，地質學研究的對象將不斷向地球的深部（如地幔、地核）擴展。

地質學的研究內容主要包括固體地球（重點是地殼或岩石圈）的物質組成、內部構造和形成演化歷史。按其研究內容和任務的不同，地質學的主要分支學科可簡單列舉如下：

1）研究地球的物質組成方面的學科，如結晶學、礦物學、岩石學等；

2）研究地球的內部構造方面的學科，如構造地質學、構造物理學、區域構造學、地球動力學等；

3）研究地球的形成演化方面的學科，如古生物學、地層學、地史學、古地理學、地貌學及第四紀地質學等；

4）研究地質學的應用方面的學科，可分為兩個方面：其一是研究地下資源方面的分科，如礦床學、石油地質學、煤田地質學、水文地質學等；其二是研究地質與人類生活環境及災害防護方面的分科，如工程地質學、環境地質學、地震地質學等。

此外，人們為了更好地研究上述地質學的各個方面，不斷地吸收和借鑒其他一些學科的先進理論、方法和技術，用以促進和深化地質學的各項研究，於是逐漸形成了一系列的邊緣學科，如數學地質、同位素地質學、天文地質學、遙感地質學及實驗地質學等，這些邊緣學科在現代地質學各領域的研究中發揮著極其重要的作用。

環境地學（environmental geoscience）是地球科學和環境科學相結合形成的一門邊緣性學科。主要緣於20世紀中葉以來，由於世界各國工業、農業、軍事、航天、交通等產業的飛速發展，給地球的自然環境帶來了巨大的影響，這種影響有些是直接的（如污染問題）、有些是間接的（如氣候變化），已經嚴重地影響到地球的自然生態和人類的生存與發展，因而受到全人類的廣泛關注。環境地學主要研究地球自然環境的組成、結構、形成、演變以及環境的破壞、污染、防止、保護、改良與評價等。根據地球科學中各學科所研究的側重點不同，又可分為環境地質學、環境地理學、環境氣象學、環境水文學、環境海洋學、環境土壤學等。

地球系統科學（earth system science）主要是地球科學在20世紀後期以來逐漸興起和發展的一門綜合性邊緣分支學科。地球系統科學把地球看成一個由相互作用的地核、地幔、地殼（或岩石圈）、土壤圈、水圈、大氣圈和生物圈（包括人類社會）等所組成的統一系統；重點研究地球各組成部分（即子系統）之間的相互作用、宇宙環境對地球系統的作用與地球系統的動力學過程，地球系統不同時空尺度的演化與全球變化等；其目的是了解整個地球系統的過去、現在及未來的行為，服務於人類社會的可持續發展（圖0-1）。

地球系統科學強調用系統論的觀點來考慮問題，用系統的方法來描述問題、解析問題，最後作出科學的預測。一些學者進一步將地球系統科學的這種系統方法論詮釋為整體觀（各子系統的統一性與相關性）、全球觀（全球尺度）、動態演化觀、復雜性觀、相互作用觀（子系統之間的相互作用）、行星地球-宇宙觀（宇宙環境的影響）、學科交叉與綜合觀等。雖然地球系統科學的某些領域的研究已取得了許多重要進展（如地球系統的動力學、全球變化科學、數字地球學等），但我們必須認識到其目前尚處於創立與發展過程中，有關地球系統科學研究的方法論、研究領域與研究內容、分支學科等都尚未形成完整的體系，仍處在探索與發展之中。