地球化学的研究方法和内容

⑴ 地球化学基本理论框架和技术方法体系

综上所述,地球化学经过百年的积累,已形成了一套完整的理论体系和方法技术,可归纳为“现代地球化学基本理论框架和技术方法体系”:

1)地球和地质作用具有多层次时空结构,及对应于其物质能量系统的自发演化理论,和同位素地球化学定年技术方法。

2)原子结构特征制约元素的基本地球化学习性理论,以及地质系统元素赋存状态观测方法。

3)地质作用过程地球化学热力学参照系理论,与作用进程相图平衡计算方法。

4)地球化学过程多重耦合动力学理论,及数字模拟计算和预测方法。

5)地球化学示踪理论与成岩成矿物源追踪和作用物理化学条件计算方法。

6)地球生命物质的阶段式衍生进化及其与无机环境物质交换理论,与有机、环境和生态地球化学方法。

地球化学通过最近40年的迅猛发展,在思想、理论和技术方法上已经具备了“上天、入地、下海”全方位探索地球的能力,已成为解决当代全球性地学重大前沿问题——地球动力学及全球变化的主要支撑学科之一。这两个领域科学问题的研究和进展,是解决当代人类面临的矿产资源、能源、生态、环境、地质灾害等危机的重要科学基础,并且成为实现社会和经济可持续发展战略的科学支撑。

⑵ 什么是地球化学

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.在这部着作中,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着作.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.30～40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.
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45～46亿年,太阳系元素的年龄为50～58亿年等等.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、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.

⑶ 地球化学的基本任务

地球化学研究内容经历了一个历史演变过程。地球化学创始阶段，其研究内容局限为研究“地壳中的原子（包括自然界出现的90多种化学元素和常见的340多种同位素的原子）”和“元素的行为”。现代地球化学则强调“地球的化学组成”、“化学作用”和“化学演化”。从目前地球化学研究对象来看，地球化学的基本任务主要如下：

（1）研究地球（也包括部分天体）的化学组成

这是地球化学最基本的研究内容，它涉及地球（也包括部分天体）中元素及其同位素的组成和时空变化。20世纪30～40年代，地球化学学科建立之时，大量的工作是关于地壳和地壳不同部位、不同地块、不同地质体中各种元素含量和分布的研究。后来，随着地球化学的发展，认识步步深入，逐渐开展了地球各个层圈、地外部分天体的化学组成研究。现在开展的区域地球化学研究、全球地球化学填图等科技计划是这一任务的现实体现。

（2）研究地球（也包括部分天体）的化学作用

地球化学的第二大任务是研究地球各个层圈中（也包括部分天体）发生的地球化学作用。这些地球化学作用丰富多彩、千变万化。地球上发生的陨石雨、地震、火山爆发、崩塌、滑坡、泥石流等地质灾害是激烈的、易于发现或觉察的，但地壳运动、岩石风化、矿床的形成、化学物质的迁移转化等是缓慢的、不易发现的。不管是激烈的还是缓慢的地质作用过程，都包含了丰富的地球化学作用。描述这些地质作用，发现这些地质作用过程中的化学作用规律，模拟并以简化的形式展示这些地球化学作用过程，将这些地质过程的化学作用原理应用并解决人类工程技术问题（例如地球化学工程等）等，是地球化学研究的重要任务。

可以列举几个方面内容：

1）研究地球演化过程的各种地球化学作用中化学元素的活动性。主要是阐明化学元素在不同物理化学条件的介质中活化、迁移和集中分散的规律，这涉及个别元素化学性质及其行为的研究，包括化学元素的来源，其活化的驱动力以及迁移途径和搬运形式，沉淀富集的规律。着重研究地球演化历史和过程，研究地球各层圈化学元素及其同位素的分布、迁移和集中分散规律，并运用这些规律去解决地学有关理论和实际问题。显然，这些方面的研究成果是建立矿床地球化学模式和环境地球化学模式必不可少的资料。

2）研究化学元素的结合规律。地球化学也研究化学元素在不同固相（主要是各种地质体，也涉及工业固体废物）中以各种形式相互结合在一起形成独立矿物的规律，也就是研究元素的共生组合和赋存形式。这里面包括元素的分配及其晶体化学控制问题，包括元素的物态、键型、价态、在晶体构造中的配位位置以及化合物种类和形式等等。

3）研究不同地球化学过程的化学反应机理。地球化学还研究促使化学反应的物理化学条件和元素地球化学参数，并据以阐述地球化学作用过程所发生的化学反应机理。应用地球化学热力学方法研究地质作用的化学反应方向，运用地球化学方法研究地质作用的化学反应过程和机理。

（3）研究地球（也包括部分天体）的化学演化

地球是有生命的，已经演化了46亿年，还要继续演化发展。地外天体成员也是有生命的，也存在过去的演化历史和将来的演化发展。地球化学的第三大任务是研究地球（也包括部分天体）的化学演化问题。对地球化学演化的研究，尤其要注重各层圈（尤其地壳）不同演化阶段的化学元素及其同位素的组成和演化特征，也要注重某区域、某地质体、某组成岩石和某矿物中的化学元素及其同位素的组成和演化特征。对太阳系的化学演化的研究，要注重太阳星云的化学成分、分馏和凝聚，太阳系各行星与小天体（卫星、小行星、彗星、宇宙尘等）的化学组成和演化特征。

⑷ 地球化学的研究思路

地球化学是20世纪初期由地质学与化学类学科结合产生的一门边缘学科。现在它已经形成了自己独立的研究思路和研究方法，地球化学的基本研究思路可概括为：

（1）自然过程在形成宏观地质体的同时也留下了微观踪迹，其中包括了许多地球化学信息。如造成了系统各部分常量、微量元素和同位素组成的变化，元素相互结合和赋存状态的改变，等等。这些微观踪迹中包含着重要的地球演化信息，地球化学就是通过识这些微观踪迹来追索地球历史的。

（2）自然界物质的运动和存在状态是环境和体系介质条件的函数。地球化学将任何自然过程都看成是热力学过程，应用现代科学理论来解释自然体系化学变化的原因和条件，使有可能在更深层次上探讨和认识自然作用的机制。

（3）地球化学问题必须置于地球或其子系统（区域岩石圈、壳、幔）中进行分析，以系统的组成和状态来约束作用过程的特征和元素的行为。

由于地质作用规模宏大、时间持久、作用因素复杂且多次作用叠加，地球化学研究必须观察和分析多种变量，确立多层次的指标，才有可能追踪地球的历史。

⑸ 地球化学的基本思想及主要研究内容

自然科学的学科发展都会受到所处时代科学和技术总体水平的制约及社会需求的推动,因而在其发展的不同阶段,每门学科的主导思想、主要任务、研究内容和范围,甚至定义不是一成不变的。可以根据不同发展阶段地球化学家给出的地球化学定义,或关于地球化学主题和任务的表述,来把握地球化学的基本学术思想、研究内容、范围和任务及其发展趋势。

地球化学奠基人之一,苏联维尔纳斯基 (В.И.Вернадский)于 1922年给出的地球化学定义为:“地球化学科学地研究地壳中的化学元素,即地壳的原子,在可能范围内也研究整个地球的原子。地球化学研究原子的历史,它们在空间和时间上的分配和运动,以及它们在地球上的成因”。同期该学派另一代表人物费尔斯曼 (Α.Е.Ферсман)提出了类似的定义:“地球化学研究地壳中化学元素——原子的历史及其在自然界各种不同的热力学和物理化学条件下的行为”。

地球化学的另一重要奠基人 (北欧学派)戈尔德施密特 (V.M.Goldschmidt)于1933年给出的地球化学定义为:“地球化学的主要目的,一方面是要定量地确定地球及其各部分的成分,另一方面是要发现控制各种元素分配的规律”。在他逝世后 1954年出版的《地球化学》中,对地球化学学科做了如下阐述:“地球化学的主要目标是,一方面定量地确定地球及其各部分的成分,另一方面发现控制各种元素分配的规律。要解决这些问题,地球化学家就需要综合搜集地球物质,诸如岩石、水和大气等的分析测试数据,还需要进行陨石分析,以及应用其他宇宙体成分方面的天体物理学数据和有关地球内部物质性质方面的地球物理学数据。许多有价值的信息还来自一些矿物的合成实验,以及对合成矿物形成方式和稳定条件的研究”。

随着20 世纪 50～60年代地球化学的迅猛发展,1973年美国国家科学院委托地球科学部地球化学委员会组成小组,专门研究当时地球化学的发展状况,并指出地球化学未来的发展方向,发表了《地球化学发展方向》(Orientations in Geochemistry)一书。该书对当时地球化学主要领域的重要进展做了总结,并根据当时地球化学发展的特征给出了地球化学定义:“地球化学是关于地球和太阳系的化学成分及化学演化的一门科学,它包括了所有对它做出贡献的科学的化学方面 (编者注:这里所指的对地球化学做出贡献的科学包括化学、生物学、物理学、天文学、医学、大气科学、环境科学等,因这些科学的数据和成果为地球化学所引用和借鉴)”。同时该书还补充指出:“地球化学包括太阳系由之形成的宇宙尘化学,增生着的地球、月球和行星的化学,地壳、地幔和地核的化学,岩石循环的化学 (包括侵蚀、搬运、沉积和隆起),海洋和大气圈的化学演化,岩石中有机物质的化学。于是,一切包容于地球和行星演化范畴中的化学就是地球化学”。

1982年由我国着名地球化学家涂光炽院士等编着的《地球化学》,将地球化学的定义概括为:“地球化学是研究地球 (也包括部分天体)的化学组成、化学作用及化学演化的学科”。

由上述地球化学定义和内涵的发展可以看出,在不到百年的短短发展过程中,有关地球化学的基本思想、主要研究对象、内容、任务和范围均发生了重大变化,表现为:地球化学研究对象已由强调地球的元素 (原子)的地球化学行为扩展到强调地球及其子系统的化学;地球化学学术思想已由地球中元素原子分配、迁移的历史观提升到地球系统及其子系统化学演化的历史观;地球化学的主要研究内容和任务已由确定地球的化学成分或元素丰度及阐明元素分配规律转变为强调研究地球的化学组成、化学作用及化学演化;地球化学的研究范围则由早期仅限于地壳已发展到现今研究地球的各个层圈及众多的天体。

因此,如何能从认识上理清和把握地球化学思想和内涵演变的脉络,协调处理地球化学早期阶段和现阶段思想、对象、内容和任务的相互关系,是推动我国现代地球化学研究发展的关键。要全面地解决上面提出的问题,必须联系基础自然科学整体和地球科学发展历史和现状,结合当前社会经济发展的需求,从现代地球化学发展的理论和方法技术中寻求答案。

⑹ 地球化学的研究方法

地球化学的每种理论,应用于解决地学问题,均构成一种研究方法。地球化学的基本研究方法主要是对地球系统及其各级子系统进行观察、取样分析、归纳和演绎研究;其次是实验模拟研究及数字模拟研究。现就地球化学一般研究方法简述如下。

1.地球化学野外工作方法

这里涉及的主要是人们肉眼可以直接观察的固体地球部分研究,至于大气圈、海洋和地外天体等研究方法,以及陨石的收集和研究,有专门书籍论述,在此不再介绍。

地球化学野外工作的目的是:观察了解宏观地质体的物质类型、结构构造及它们在时间和空间上的相互关系,在此基础上系统观察和收集寓于各地质体中的地球化学记录和信息,并采集具有明确代表对象和意义的样品。当然,观察收集信息及取样的侧重点应因研究目的不同而有所差别。

因为地球化学运动和作用寓于地质运动和作用之中,所以必须首先较好地了解研究区的地质背景,把握所研究地质作用的产物的特征和矿物岩石组成、结构构造及它们之间的时空关系和序列。这些均属于地质学的观察研究内容,可按地质编录或制图法进行。这部分工作是地球化学研究的重要前提和必要基础,是地球化学研究客观性的根本保证。

在野外观察建立了较好的地质研究的基础上,必须重视各类地质体中地球化学记录和信息的观察和收集,力求在野外工作阶段就能形成地球化学研究的构想或工作假设,从而保证室内研究能更有效地开展。常见一些年轻地球化学家研究中只有野外地质观察而缺乏基本的野外地球化学信息收集,似乎认为地球化学研究对象仅限于化学元素和同位素微观层次。地球及其层圈中的化学作用绝大多数都是通过化合物 (矿物)或物相之间的反应实现的,元素原子的相互作用只是这种反应的内在根据。化学、地学和地球化学今天的发展,已使地球化学从地质体的观察中直接获取地球化学信息成为可能。典型研究方法范例,见博伊尔 (R.W.Boyle)1979年出版的《金的地球化学及金矿床》。

如何进行野外地球化学观察和信息收集? 通常地球化学可以广泛应用矿物化学、岩石化学、化学及物理化学的知识和理论指导地质体的观察。例如,根据地质体的岩石和矿物组成,不需化学分析就可知道它们的大致化学组成,基于矿物间受类质同象控制的元素分配规律,还可粗略推测它们中比较集中的微量元素种类和组合;石灰岩是强碱弱酸的盐类,其岩层可起着天然溶液酸碱度调剂的作用,是影响元素迁移的碱性障;观察组成岩石的矿物共生组合及矿物的交代关系,可为应用相平衡理论研究地球化学作用奠定基础。例如,在硫化物矿床氧化露头中见到方铅矿 (PbS)依次被铅矾 (PbSO₄ )和白铅矿(PbCO₃ )交代的现象,就可推断硫化物矿石的氧化应依次经历硫酸盐和碳酸盐阶段,其环境应先是酸化、而后向碱性过渡,从而提出进一步检验这种推断的设想。此外,从物理化学观点看来,天然溶液进入张性裂隙是外压力的突然降低,岩石的糜棱岩化实质为物质颗粒变细增加表面能,从而增强化学反应速率,等等。通过地质地球化学野外观察,收集到足够的地球化学信息,再结合地质背景、条件与研究的目的,就可形成进一步研究的构想。

样品采集必须注意的关键问题是,样品应能确切地代表所要研究的地质对象,尽可能详细地了解其产出的地质背景、环境和条件;符合所要研究的目的。例如,为了解原始岩石成分需采集新鲜的岩石样品,为研究蚀变过程应按剖面采集原岩、半蚀变岩石到全蚀变岩石的系列样品。样品的规格和重量按需进行测试方法的要求确定;每种样品采集的数量应以具有统计学上的一定代表性为准。

2.地球化学室内研究方法

地球化学室内研究包括样品的加工、分选、预处理、岩石矿物鉴定和分析测试、数据处理,以及综合分析得出结论的全过程。

在野外观察和鉴别的基础上,为了准确鉴定矿物、岩石、矿石的成分和类别,确定矿物-流体相间反应关系,常需进行偏光和反光显微镜观察,对微粒和微区研究可以应用电子显微镜、X射线分析法、电子探针等仪器进行精确分析和鉴定。这方面需要特别强调的是,准确地鉴定矿物和岩石只是目的之一,而详细观察和了解岩石和矿石中矿物间的相平衡和反应-交代关系,以及矿物晶粒中的环带结构和成分变化等,具有更深入层次的意义。现代高精度的实验观测技术为实时实地准确地观测微细地球化学作用过程提供了条件。

为了获取各类地质对象的化学成分,除主量元素可应用常规化学或仪器分析方法测定外,其余大多数测定项目为微量组分,含量一般为克拉克值级次。对于这些微量元素的测定需要使用灵敏精确的分析技术,灵敏度一般要求达到 10^-6～10^-9。在这方面,现在常用的分析方法有:发射光谱分析、原子吸收光谱分析、火焰光谱分析、离子选择电极法、中子活化分析、等离子体光量计分析、质谱分析,以及一些专项分析技术,如测汞、测金、放射性测量等。可以根据研究目的,选用适用的方法,在满足灵敏度和精度要求的前提下,应考虑便捷、经济的原则,避免过度追求高精度、过多测试项目等。

进行同位素定年和同位素组成测定的样品,需根据样品性质、估计的可能年代范围,以及各种定年法和同位素测定分析法的特点和要求,选择质谱分析的类型及进行样品的制备和测定。

元素结合形式和赋存状态是制约元素地球化学行为及活动性的重要因素。其中主量元素形成各自的矿物或独立相,它们的结合形式根据矿物学的鉴定和研究确定。对不形成独立矿物的元素的赋存形式以及细粒岩石 (页岩、黏土沉积物、土壤等)中元素的赋存形式,则需应用专门的综合测试方法解决,包括:晶体光学法、物性和物相分析法、X射线分析法、电子探针等微区分析法,以及化学偏提取法、电渗析法、放射性乳胶照相法等。

地球化学作用的物理化学条件的确定包括测定和计算两类方法。如矿物流体包裹体测温和测压属于测定法;矿物温度计、微量元素温度计、同位素温度计等为测定和计算相结合的方法;而体系的pH、E_h、

、盐度、离子强度、矿化度等参数则是通过热力学和化学平衡计算获得。

在取得了上述各种实际资料和数据后,研究就进入了数据处理和资料整理,进而综合提炼并得出科学结论的阶段。数据处理和资料加工包括,按照研究的目的,应用地球化学多元统计分析的方法 (相关分析、判别分析、因子分析、聚类分析等)揭示研究对象数据和参数的分布形式、变异特征、相关程度、元素共生组合及其影响因素等;根据解决问题的设想,编制各种图件和表格等。此后,研究就进入了由客观向主观认识转化上升的思维过程,在这方面,辩证唯物主义认识论和前述的地球化学方法论具有关键性的指导意义。

3.地球化学实验模拟和数字模拟

开展实验研究,尤其高温高压条件下的实验研究,是地球化学探索必不可少的一种手段。实验研究的内容主要包括:地球化学所需自然化合物 (矿物)和化学物种热力学性质和参数的确定,元素在各种共存相间分配系数及同位素分馏系数的测定,极高温度和压力下矿物相变及超临界水流体溶液物理化学性质的研究,以及各类地球化学作用实验模拟的研究。这些实验使地球化学应用物理化学原理和进行定量计算成为可能,为地球化学对深部地幔物质成分的判断提供参考,使地球化学对各种自然和人为作用过程和机制的了解更加精确和深化。

在开展地球化学作用的实验模拟时,应注意使实验体系和条件尽可能地接近自然界的实际,这样才能获得有效和可信的结果。

各种地球化学体系的数字模型化研究 (如,岩浆作用过程中微量元素分配的定量模型),以及地壳、地幔、海洋等复杂体系的数字或计算机模拟,近年展现出不断增多的趋势被称为计算地球化学。计算地球化学既是地球化学向定量化发展的必然结果,同时也是对许多难以进行实验模拟的复杂自然体系定量研究的一种补充。

地球化学体系和作用过程的定量化数字模拟或建模,现在已广泛应用于解决地球化学问题,其中包括地球化学体系的质量收支平衡、反应的化学平衡、系统动力学、物质输运过程,以及上地幔、洋盆和岩浆房的化学演化等。地球化学数字模拟和建模的专着,如Francis Albarède 撰写的 Introction to Geochemical Modeling (1995),Bethke 所着的Geochemical Reaction Modeling (1996 )和 Geochemical and Biogeochemical Reaction Modeling (2008)。我们必须高度重视这一发展趋势。

⑺ 地球化学的基本观点和方法论

从现代地球化学主要研究地球及其子系统的化学组成、化学作用和化学演化看来,下面的基本观点及其方法论的意义最为重要。

1)地球化学系统观点,这里特别强调系统的组成和状态制约其化学过程和元素行为的特征。例如,在表生和内生地球化学系统中铁和锰均显示出不同的化学行为;不同地区由于地壳和地幔组成和温压等状态的差异,成岩和成矿的特征明显不同;地球由于温度适中和存在液态水,得以发展出繁茂的生物圈,从而导致地球具有含自由氧的大气圈及长英质成分的地壳,这些均为地球完全不同于太阳系其他行星的特殊性。地球化学与化学的区别在于自然地球系统在组成和状态上较之实验室和工厂中人为的化学系统具有无比的复杂性。这一观点的方法论意义在于研究任何地球化学问题,都须置于它所处的系统中来考察,以系统的组成与状态来约束所研究过程的性质和特征。如地壳是一种地球化学系统,它在某一时期的元素丰度既构成系统的一种状态参数制约着地壳中化学作用和元素行为,又是地壳发展的阶段状态,通过不同时期地壳组成的对比就可揭示地壳的化学演化。因此,不应仅仅将地壳元素丰度视为度量局部地区和地质体元素富集或贫化程度的标尺。

2)寓于地球系统物质运动中的化学运动同力学运动、物理学运动和生物学运动相互依存、相互制约和相互转化的观点,这里强调不同形式运动的相互作用和相互制约的方法论意义。地球系统物质运动中化学形式的运动不是孤立的,而是与其他形式运动紧密联系和相互制约的,因此地球化学研究虽然重点探讨化学运动,但应重视地质学和地球物理学的实际资料和认识成果对地球化学立论的约束。同时由于我们是通过寓于地球和地质运动中的化学运动的研究来探索和解决地学问题,所以就可归纳为如下方法论:善于将地学和地质问题剖析为地球化学性质的问题来研究,以发挥地球化学学科的优势。例如,对于如何证明板块构造学说所设想的洋壳俯冲的地质学问题,就可将这个问题剖析为证明会聚板块俯冲带中同构造期的岛弧玄武岩的地幔源区中是否有洋壳物质卷入的地球化学问题,这样研究可发挥地球化学示踪的专长。

3)地球层圈相互作用与物质和元素循环的观点。地球形成初期分异出层圈之后,化学组成、温度和压力迥异的各层圈之间,必然会发生强烈的相互作用,表现为层圈间的物质交换、能量输运及动量传递,推动着地球的运动和发展。因此,地球化学应以地球层圈相互作用为主线,以揭示物质和元素的循环为手段,进行地学和地质问题的研究。这一方法论对于现代地球化学从事地球系统重大问题研究更为重要。

4)历史地球化学观点,强调地球系统的总体演化及寓于其中的化学演化具有循环性和不可逆性,即螺旋式上升规律。循环性 (或旋回性)表现为相似的地质作用或事件,在地球历史中可以多次重复发生,如各地质时代均有沉积作用发生;不可逆性表现为同一种自然作用随时间推移其性质和特征是单向发展的。例如,沉积铁矿能出现于不同地史阶段:前寒武纪以形成海相条带状铁硅建造为特征,元古宙晚期以沉积滨海相的鲕状赤铁矿床 (鲕状赤铁矿、鲕绿泥石、菱铁矿)为特征,而后显生宙则主要形成湖相-沼泽相沉积铁矿床 (水针铁矿、鳞绿泥石)。这种演化规律主要是受大气圈从无自由氧到出现自由氧再到自由氧含量水平提高,致使地表环境由还原→弱氧化→较强氧化的转变的规律所控制。因为,这可以改变铁的价态,从而影响铁在表生作用中迁移活动性的变化。根据地球演化的螺旋式上升这一普遍规律,在地球化学研究中,应始终坚持以发展论和阶段论思想为指导。按照这一方法论,在特定历史阶段中可以进行一定程度的将今论古,但总体上必须坚持发展论,不应超越阶段进行类比。当然,还需考虑突变的发生。

5)各类地质体的化学物相、元素和同位素组成、物相反应关系及相应参数为地球化学事件记录的观点,这里强调善于从地质体观察中获取地球化学信息的能力。因为除了地表正在进行的地质-地球化学作用可以直接观察研究外,绝大多数作用或发生于地球深部,或已完成结束于地球历史时期,无法对这些作用过程进行自始至终的正序研究,只能根据作用过程遗留在各类地质体中的产物和遗迹反序地追索地球的化学作用和化学演化。

⑻ 环境地球化学的研究手段

环境地球化学运用各类专门器具，采集地表、水下和空中的无机和有机样本。为确定环境样本中化学元素的含量和组合，各种成分分析仪器和质谱计、能谱仪是它的必备手段。经常采用的研究方法有下面几种。 即紧紧抓住所瞄准的元素，研究它在环境中运动的各个环节或在各种介质中的地球化学行为。
环境档案研究法
树木年轮、冰岩心、湖泊沉积、海湾沉积、深海沉积、珊瑚、黄土、古土壤、河流泥沙、沉积岩、花粉、包裹体等都不同程度地记录下了它们形成时的环境条件，如温度、湿度、化学成分、生物量、火山喷发、地磁场、海平面和太阳活动等，因此它们可看成是环境变化的“档案”材料。不同的档案材料有不同的环境信息量和时间分辨率。有目的地研究这些档案材料，可提取出过去环境变化的宝贵信息。

⑼ 元素地球化学的研究方法

主要有以下方法：
①为了确定元素的分布、分配及存在形式，应用具有高灵敏度、高精度、经济、迅速等特点的现代物理、化学的测试方法，这是元素地球化学研究的基础。
②各种地球化学模拟实验，对于了解元素在地质作用中的迁移形式、沉淀富集条件、矿物形成条件及稳定范围，以及元素的地球化学行为等是很重要的手段。
③运用物理化学、热力学的基本理论来分析元素的地球化学规律。相律、自由能、生成热等热力学计算方法，可以从理论上分析地球化学作用进行的方向和限度，以及元素在共存相（矿物）之间分配规律。
④元素地球化学研究,要处理大量的分析数据，正确地应用数理统计和电子计算机方法，有助于深入地、科学地反映元素的地球化学活动规律。

⑽ 地球科学的研究对象和研究内容

人类生活在地球上，衣食住行等一切活动都离不开地球。如人们要靠山川大地获取生活资料以维持生命，要从地球中开采矿物资源制造生产和生活工具，要了解地球上的自然地理和气候条件以便发展生产，要与地球上发生的各种自然灾害作斗争。因而，人类在长期的实践中逐步加深了对地球的认识，并且逐渐形成了一门以地球为研究对象的科学——地球科学（geoscience）。

地球科学简称地学，是数学、物理学、化学、天文学、地学、生物学六大基础自然科学之一。地球科学以地球为研究对象（图0-1），包括环绕地球周围的气体（大气圈）、地球表面的水体（水圈）、地球表面形态和固体地球本身。至于地球表面的生物体（生物圈），由于其研究内容广、分支学科较多、研究方法具有特殊性，因而已独立成一门专门的基础自然科学——生物学。但生物的起源与演化、生物体与生存的地球环境之间的关系也属于地球科学的研究范畴。

图0-1 地球系统（包括各圈层子系统）及其宇宙环境

作为地球科学研究对象的地球，实际上由多个性质不同的圈层组成；从地心到大气层的最外侧，可分为地核（包括内核、过渡层和外核）、地幔（包括下地幔和上地幔）、地壳（或岩石圈）、水圈、生物圈（包括人类圈）和大气圈等，它们共同组成一个相互依存、相互作用的统一系统，称为地球系统；地球系统的各个圈层属于其子系统，子系统还可进一步分为不同的级次。整个地球系统处于不断地运动、变化过程之中。地球空间以外的地月系、太阳系、银河系等构成了地球系统的宇宙环境。现代地球科学为了更深入地认识地球系统的运动、变化特征与规律，已将其研究对象扩展到了地球系统的宇宙环境（图0-1）。

地球科学是一门理论性和应用性都很强的科学。它不仅承担着揭示自然界奥秘与规律的科学使命，同时也为生活在地球上的人类如何利用、适应和改造自然提供科学的方法论。随着生产和科学技术的发展，地球科学的研究内容和领域也在不断地深入和扩展，逐渐形成了日臻完善的由多学科组成的综合性学科体系。地球科学目前主要包括地质学、地球物理学、地球化学、地理学、气象学（或称大气科学）、水文学、海洋学、土壤学、环境地学、地球系统科学等学科。其中，地质学由于其研究领域广博、分支学科较多，并且以研究地球的本质特征为目的，因而成为地球科学的主要组成部分，以至于人们有时把地质学和地球科学作为同义语使用，其实两者的含义是有差别的，它们具有包容关系。随着科学的发展，地球科学还会不断地诞生新的学科和出现一些边缘学科。

地理学（geography）主要研究地球表面的各种地形、地理环境及其结构、分布和演变规律，并涉及自然和社会两个领域之间的相互关系。地理学一般可分为自然地理学和人文地理学两大组成部分。自然地理学是研究自然地形、地理环境的结构及发生、发展规律的学科，主要包括普通自然地理学、区域自然地理学、地志学等。人文地理学是研究人和社会与自然地形、地理之间的相互关系的学科，主要包括政治地理学、社会地理学、人口与聚落地理学、经济地理学、历史地理学等。

气象学（meteorology）以地球周围的大气圈为研究对象，主要研究大气的物质组成、各种物理性质、物理现象及其变化规律。其研究内容很广泛，包括许多分支学科和应用学科；其目的在于揭示大气中的各种物理现象和物理过程的发生、发展本质，从而掌握并应用它为人类生活和国家经济建设服务。气象学的主要分支学科有大气物理学、天气学、气候学、高空气象学、动力气象学等；主要的应用学科有卫星气象学、无线电气象学、航空气象学、海洋气象学、农业气象学、林业气象学等。

水文学（hydrology）和海洋学（oceanography）以地球表面分布的水体为研究对象。水文学主要研究地球上江河、湖沼、冰川、地下水以及海洋等各种水体的数量、质量、运动变化与分布规律，以及它们与地理环境、生态系统和人类社会之间的相互影响与相互联系。海洋学是以海洋作为一个独立体进行研究的，它实际上是从地球科学的其他几个分支学科中独立出来的，这是由于海洋在现代地球科学、人类生存环境和未来社会发展中的地位越来越重要的缘故。海洋学是研究海洋中发生的各种现象和规律及其相互关系的各门学科的总称，根据研究内容不同可分为物理海洋学、海洋水文学、海洋化学、海洋生物学、海洋气象学和海洋地质学等。

土壤学（soil science）以地球表面发育的土壤层为研究对象。主要研究土壤的物质组成、结构、类型、分布和形成发展过程。根据具体研究内容和应用领域的不同，土壤学也有一些分支学科，如土壤生物学、土壤地理学、土壤气候学、土壤物理学、土壤化学、土壤地质学等。

地球物理学（geophysics）是应用物理学的方法研究地球的一门学科，是近代发展起来的地球科学与物理学相结合的一门重要边缘学科。广义的地球物理学的研究对象包括固体地球及其表部的水体和周围的大气圈。但由于水体和大气圈的研究都已建立起相应的独立学科，所以一般所称的地球物理学是狭义的，其主要研究对象是固体地球，因而也可称之为固体地球物理学。地球物理学重点研究固体地球的各种物理性质、物理现象及其发生与发展过程、地球的内部构造与组成、地球的起源与演化等。其主要分支学科有地震学、地磁学、重力学、地热学、地电学、大地测量学、大地构造物理学和应用地球物理学等。其中，应用地球物理学主要是研究地球物理勘探方法及其在地球资源的勘探与开发、地球环境的监测与保护等方面的应用。

地球化学（geochemistry）是应用化学的方法研究地球的一门学科，也是近代发展起来的地球科学与化学相结合的一门边缘学科。地球化学主要是研究地球及其子系统（含部分宇宙体）的化学组成、化学作用和化学演化的科学。其主要分支学科有元素地球化学、同位素地球化学、岩石地球化学、矿床地球化学、区域地球化学、海洋地球化学、生物地球化学、环境地球化学、宇宙化学、地球化学热力学等。

地质学（geology）研究的主体对象也是固体地球，当前主要是研究固体地球的表层——地壳或岩石圈。地壳或岩石圈的厚度一般为几十千米到300 km左右，与地球的半径（平均约6371 km）相比只是一个很薄的表壳。这一薄壳之所以成为地质学当前研究的主要对象，一方面是出于实际需要，因为这一层与人类的生活、生产及生存直接相关；另一方面是受现时人类能力的限制。人们可以直接观测和研究地球表层，但现阶段人类尚无能力对地下深处进行直接研究。钻井取样是目前人们获取地球较深部物质进行直接研究的唯一途径，但由于受当前技术水平的限制，钻井所能达到的深度是有限的。目前世界上最深的钻井（12.5 km）位于俄罗斯西北部的科拉半岛，这一深度尚不足该区大陆地壳厚度的1/2。可以相信，随着科学技术的发展，地质学研究的对象将不断向地球的深部（如地幔、地核）扩展。

地质学的研究内容主要包括固体地球（重点是地壳或岩石圈）的物质组成、内部构造和形成演化历史。按其研究内容和任务的不同，地质学的主要分支学科可简单列举如下：

1）研究地球的物质组成方面的学科，如结晶学、矿物学、岩石学等；

2）研究地球的内部构造方面的学科，如构造地质学、构造物理学、区域构造学、地球动力学等；

3）研究地球的形成演化方面的学科，如古生物学、地层学、地史学、古地理学、地貌学及第四纪地质学等；

4）研究地质学的应用方面的学科，可分为两个方面：其一是研究地下资源方面的分科，如矿床学、石油地质学、煤田地质学、水文地质学等；其二是研究地质与人类生活环境及灾害防护方面的分科，如工程地质学、环境地质学、地震地质学等。

此外，人们为了更好地研究上述地质学的各个方面，不断地吸收和借鉴其他一些学科的先进理论、方法和技术，用以促进和深化地质学的各项研究，于是逐渐形成了一系列的边缘学科，如数学地质、同位素地质学、天文地质学、遥感地质学及实验地质学等，这些边缘学科在现代地质学各领域的研究中发挥着极其重要的作用。

环境地学（environmental geoscience）是地球科学和环境科学相结合形成的一门边缘性学科。主要缘于20世纪中叶以来，由于世界各国工业、农业、军事、航天、交通等产业的飞速发展，给地球的自然环境带来了巨大的影响，这种影响有些是直接的（如污染问题）、有些是间接的（如气候变化），已经严重地影响到地球的自然生态和人类的生存与发展，因而受到全人类的广泛关注。环境地学主要研究地球自然环境的组成、结构、形成、演变以及环境的破坏、污染、防止、保护、改良与评价等。根据地球科学中各学科所研究的侧重点不同，又可分为环境地质学、环境地理学、环境气象学、环境水文学、环境海洋学、环境土壤学等。

地球系统科学（earth system science）主要是地球科学在20世纪后期以来逐渐兴起和发展的一门综合性边缘分支学科。地球系统科学把地球看成一个由相互作用的地核、地幔、地壳（或岩石圈）、土壤圈、水圈、大气圈和生物圈（包括人类社会）等所组成的统一系统；重点研究地球各组成部分（即子系统）之间的相互作用、宇宙环境对地球系统的作用与地球系统的动力学过程，地球系统不同时空尺度的演化与全球变化等；其目的是了解整个地球系统的过去、现在及未来的行为，服务于人类社会的可持续发展（图0-1）。

地球系统科学强调用系统论的观点来考虑问题，用系统的方法来描述问题、解析问题，最后作出科学的预测。一些学者进一步将地球系统科学的这种系统方法论诠释为整体观（各子系统的统一性与相关性）、全球观（全球尺度）、动态演化观、复杂性观、相互作用观（子系统之间的相互作用）、行星地球-宇宙观（宇宙环境的影响）、学科交叉与综合观等。虽然地球系统科学的某些领域的研究已取得了许多重要进展（如地球系统的动力学、全球变化科学、数字地球学等），但我们必须认识到其目前尚处于创立与发展过程中，有关地球系统科学研究的方法论、研究领域与研究内容、分支学科等都尚未形成完整的体系，仍处在探索与发展之中。