第一章 地球化学的学科性质和基本思想

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• 国际知名的地球化学和宇宙化学家尤里（Urey) 早就指出：“了解太阳系的形成不仅是一个力学 的问题，同时也是个化学的问题。力学控制着行 星体的复杂运动，而化学使之千差万别、变幻莫 测”。 • 世界著名地球化学家阿莱格尔（C.J. Allegre） 则更明确地说：“了解太阳系的形成，必须把牛 顿的理论与门捷列夫的理论结合起来”。由此可 见地球化学和宇宙化学在研究地球、太阳系和宇 宙成因方面的重要学术意义。
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2. 专门从事寓于地球物质运动中的某种基础形式运动的 学科 力学类：构造地质学（固体地球力学）、岩石圈动力 学（尚待建立）、大气动力学、海洋动力学等。分 别为地质学、大气科学和海洋科学的三级学科。 化学：地球化学（地球科学的二级学科，涉及固、液、 气地球部分）。 物理学：地球物理学（地球科学的二级学科，涉及固、 液、气地球部分）。 生物学：研究地球系统生物作用的的学科，尚未形成 独立学科，但其内容有些已含于其他学科中：如地 球化学中的生物地球化学，矿床学中的生物和有机 质成矿作用，地质和海洋中的微生物作用等。 这一类学科均为前一类学的的基础或支撑学科。
三、地球化学的基本观点与方法论
在地球化学教学和书籍中很少见到有关地 球化学方法论的专门论述。这种情况非常不利 于培养学生地球化学研究的思路和能力。然而， 在许多地球化学巨匠的著作和论文中，不乏潜 藏着的闪光的思想和深刻的哲理。总结现代地 球科学和地球化学已经取得的成就及其基本思 想，可以提出以下地球化学研究的基本指导思 想和方法论，共同学们参考和借鉴。
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• 虽然现阶段的地球化学仍需有关于元素自然化学行为 和迁移历史研究部分，但其内涵与目的已同上阶段有 所不同。其表现为：1）研究已由地壳中的元素行为和 历史扩宽到元素在各地圈中的行为及在各地圈间的循 环历史。2）除在与元素行为和迁移历史直接有关的成 矿作用和环境污染等研究方面，原来研究元素集中、 分散和迁移的思路和方法仍然有效外，现阶段元素 （更 多情况下元素组合和同位素系统组合）自然行为 和活动规律研究，只是作为一种揭示地球化学作用机 制和特征、层圈相互作用过程和层圈化学演化历史的 手段在进行，而不是作为原来意义的研究目的。3）由 于固体地球层圈之间或之内物质和能量交换及动能传 递，主要是通过岩浆、沉积、和变质等作用进行的， 因此强调这些作用化学过程、化学机制及其中元素和 同位素行为的研究，以利于地球及其层圈的化学演化 的探索。
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• 地球系统中不同元素分别显示出对氧、硫或铁 的明显亲和性，而不同于人为系统，这首先取 决于地球系统中各种阳离子元素原子总数大大 多于阴离子氧和硫原子的总数，使化学反应抑 制法则发生了作用。 • 碳元素在无机、有机和生命系统中的行为完全 不同，就好象是不同的元素。 • 不同区域壳、幔组成和状态的差异，决定着各 该区域岩石和矿产特征和类型的不同。 • 表生系统与内生系统性质和状态不同，其中化 学过程与元素行为也差异较大。
3.地球层圈相互作用与物质（再）循环的观点
（1）观点的阐明 地球形成初期，发生物质分异形成了地球的层圈结构 后，由于各层圈在物质组成、能量和热动力状态方面 的差异及同一层圈内组成和能量的不均一性，尤其存 在着极高温度的地核，从而使地球成了一个巨大的动 力学系统（类似热机），必然导致层圈的相互作用— —物质和能量交换及动量传递，以及层圈内的物质和 能量对流，推动着地球及其层圈的发展和演化。这种 地球动力学统系中的物质运动规律，在寓于其中的不 同形式基础运动方面表现是不同的。地球化学运动表 现为层圈间的物质交换和循环及层圈内的物质分异和 演化；力学（构造）运动表现为层圈间的动量传递与 板块的离散与会聚 ;而地球物理运动则主要表现为层 圈间和层圈内的热传导和热对流。
（三）地球科学中的两大类学科
按所研究物质运动的特征看，地球科学中存在两 大类学科： 1. 研究地球及其子系统物质综合复杂运动的学科： 二级学科：地质学（固体地球学科）、大气科学、海 洋科学、地理学。 地质学下属的三级学科：矿物学、岩石学、地层学、 构造地质学、地层学、地貌学、古生物学、矿床学、 大地构造学等。 此类学科（除构造地质学外），不管体系大小其 中的物质运动均为含有多种基础运动的综合复杂运 动，连小到矿物形成的小体系都不例外，均需多种 第二类的学科研究的支撑。
2.现阶段地球化学的基本思想与研究对象
• 1973年，美国国家科学院地球化学定位小组在“地球 化学定位”（Orientations In Geochemistry)一书中关 于地球化学的定义表述为：“地球化学是涉及地球和 太阳系的化学成分和化学演化的的科学领域，它包括 所有对其做出贡献的学科的化学方面”，“亦即探索 地球和行星演化的全部化学就是地球化学。” • 可见地球化学这种定位已经更为接近地球化学专司研 究寓于地球物质运动中的化学形式运动的学科本质。 • 地球化学的研究对象和研究范围已由化学元素及其在 地壳中的行为和迁移历史扩宽至地球及其层圈的化学 组成、化学作用和化学演化；并由地壳元素原子层次 为主 上升到地球及其层圈甚至行星和太阳系化学的层 次。
地球化学的学科性质 和基本思想
第一章
地球化学进展课程
一、地球化学的学科性质
（一）各种说法例举： • 地学与化学杂交的边缘学科， • 研究地球物质成分的学科， • 地学中的研究元素和同位素的微观学科， • 地质构造研究运动，地球化学研究物质， • 矿物学、岩石学和地球化学是同一类学科。 总之，众说纷纭，共同特征是：只从表面看 问题，将物质和运动分离，对宏观和微观学说 划分不严谨，没有抓到地球化学的学科本质。
（二）现阶段地球化学的基本思想、研究 对象和研究层次
1. 地球化学进入新发展阶段的背景： • 上世纪60年代中现代板块构造学说兴起，引起了地 学界的思想革命，使之首次真正能从全球甚至太阳 系和宇宙的视野来思考研究地学问题。板块学说本 身的深入研究和论证，就涉及壳/幔相互作用、洋/陆 相互作用、地幔对流和动力学等层次的问题。此外， 工业发展带来的环境恶化问题，如全球变暖，也涉 及大气圈、水圈、生物圈和岩石圈相互作用和物质 循环问题。这些问题都要求地球化学参与研究。 • 地球化学本身发展了微量元素和同位素示踪等研究 地球深部组成和过程以及地球层圈演化的理论和方 法，也具备了参与地球及其层圈这一层次问题研究 的可能。
二、地球化学基本思想和任务的发展
任何学科在发展的不同阶段都有它的特定 研究对象和研究范围。它们由所要研究和解决 的问题所决定。地球化学自20世纪70年代初发 生了由发展的第一阶段向发展的第二阶段的转 变，表现为地球化学基本思想、研究对象、研 究层次和研究范围均发生了重大突变，促使地 球化学更迅猛地发展。然而，迄今在我国地学 界甚至地球化学界，还有不少人对地球化学的 基本认识还处于滞后状态，或者尚未完全跟上 新的发展形势。这不利于我国地球化学跨越式 地发展。
（一）地球化学发展第一阶段的基本思想 和研究范围
• 地球化学发展的第一阶段是自20世纪初建立发展至60 年代末的这一时期。20世纪初随着大量岩层、岩石、 矿物以及陨石等化学分析数据的积累，揭示出化学元 素在地壳、不同岩石和矿物及不同类型陨石等中是有 规律地分布和分配的，地球化学就应阐明元素在地壳 及其组成岩石和矿物中的分布和分配规律的需要，而 萌生成长的。随之，人类对矿产资源日益增长的需求， 又促进地球化学发展了地壳中元素集中、分散和迁移 理论，以便更深入地研究矿产和岩石等形成规律，提 供更有效的找矿方法。因此这一阶段的地球化学就以 “元素原子自然历史”的基本思想为特征，地球化学 的研究范围也主要就是元素在地壳中的分布、分配、 集中、分散及迁移历史，对象基本是地壳中的元素原 子。
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★ 然而，洋壳俯冲这一构造（力学）运动却是由物理-
化学运动驱动的。按板块构造学说，洋壳俯冲是受： （1）由地幔对流引起的海底扩张及（2）冷的较致 密的镁铁质洋壳的下沉和拖曳驱动的。地幔对流则 是由地幔温压的不均一所致（物理因素）、后者则 与放射性元素分布不均有关（化学因素）；高温低 密度流体上升、冷的高密度物质下降（物理过程）， 镁铁质岩石密度大于长英质岩石（化学因素），表 明物理-化学运动驱动了构造（力学）运动，所以不 同形式的运动是相互驱动或转化的。
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（2）方法论意义
• 研究和解决任何地学问题均需由各种形式基础 运动或侧面进行综合分析，并应在此认识高度 上，处理好多学科研究过程中学科之间的关系。 • 对地学问题开展地球化学学科研究时，必须自 觉地以其他学科获得的客观资料、规律与成果， 约束本学科的构思。 • 应善于将地学问题剖析为地球化学学科性质的 问题来研究，以发挥地球化学科的专长和优势。
（二）由地球系统物质运动特性看地球科学和地 球化学学科本质
• 恩格斯提出按学科所研究的物质运动类型进行学科分 类的原则，至今仍然有效。当年由于地质学（研究固 体地球的地学学科）还处于完全描述阶段，看不清地 质物质运动的特性，故恩格斯未对地质学作分类属性 的论述。 • 现今地球科学的发展已有可能鉴别出地球系统物质运 动（含地质运动）的特性是：力学（机械）、化学、 物理学及生物学四种基础形式运动相互作用和相互制 约的综合复杂高级运动。类似生命运动为力学、化学、 物理学基础形式运动相互作用和相互制约的复杂高级 运动。
1.地球化学系统观点及其方法论意义
（1）地球物质客体，同任何事物一样，均以系统的方式 而存在，并在自身的内在矛盾运动中及与环境的相互 作用中而发展。这里的系统律特别强调系统（体系） 的组成、结构与状态制约着其中物质运动特性与物质 的行为，即离开特定的系统谈不上物质和运动的具体 行为与特性。 （2）规律的阐明： 地球作为太阳系的一个子系统，有较 小适中的体积，在太阳系中的轨道使地表温度有利于 水的大量存在，这决定着生物圈的出现与发展，最终 导致地球以具有含自由氧的大气圈、花岗质的地壳和 发育的生命圈等而不同于其他行星。
2.寓于地球物质运动中的化学、力学（机械）、 物理学和生物学形式的运动相互依存、相互制约 和相互转化的观点 （1） 观点的阐明
★板块聚会带洋壳板片向大陆之下的俯冲，主要是构 造（力学）运动，然而，随洋壳板片的下插，温压 就会不断升高（物理场变化），从而导致洋壳板片 脱水和变质（化学反应），如有远洋沉积物随洋壳 俯冲，则其中所含的生物遗体有机分子就会发生降 解作用（生物或有机化学反应）。这既可说明力学、 物理、化学和生物形式运动的相互依存和相互制约 的关系，又显示了构造（力学）运动驱动了（或转 化出）物理学和化学运动。
（四）地球化学在地球科学发展中的意义
• 地球化学专司研究寓于地球物质运动中的化学形式基 础运动，而地球及其各级子系统物质运动中均含有化 学运动、并且这种化学运动还处于同各该体系中的力 学、物理学等形式运动的相互作用和相互制约的状态。 因此，地球化学应能参与地球科学各个领域的研究， 并至少与研究地球物质力学运动和物理学运动的学科 研究是等效的。由生物化学推动现代生物学发展的重 大作用看，可能地球化学将在地球科学发展中起更大 一些的作用。在当代地球科学的两大前沿领域——全 球变化和大陆动力学研究中，地球化学已经成为重要 支撑学科之一，就足以说明地球化学在地球科学中的 意义和地位。
（一）地球物质客体运动的基本规律
地球物质客体运动的基本规律反映的 不是个别的、具体的地球物质运动的规 律，而是概括地球物质客体整体为对象 的一般运动规律。关于地球物质运动及 寓于其中的各类基础形式运动的基本规 律的认识或观点，具有指导地球科学及 其各学科研究的认识论和方法论意义。 现今有关地球化学运动基本规律的认识 或观点主要有：
（3）方法论意义
• • • 任何特定事物运动均需置于它所处的特定系 统中来考查研究，以系统的特性来约束事物 的性质与行为。 系统均具有结构性和层次性，研究低一层次 结构部分（系统的子系统），需要以高一层 次系统的特征来约束。 地球科学应用力学、物理学和化学原理于地 球系统时均需按地球系统的特殊性加以修正、 甚至改造和发展。所以才需要建立构造地质 学、地球物理学、地球化学等。