第一章 地球化学的学科性质和基本思想

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。
（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。
（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、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。
（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。
（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。
接上
★ 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。
（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：
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。
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。
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。
续前
• 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。
（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、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。
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。
接上
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。
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。