地球化学课件1绪论-谢财富.ppt

,地球化学Geochemistry,主讲谢财富cfxi2009，秋季学期,教学方法：多媒体授课+讨论学习成绩：出勤和守纪（10%）+作业（20%）+考试（70%）,教材和教学内容,教材：韩吟文，马振东（主编）。地球化学。地质出版社，2003教学内容：元素分布分配、元素结合规律、元素的迁移与分异、地球化学热力学、微量元素地球化学、同位素地球化学、岩浆化学作用（绪论第7章）,主要参考资料赵伦山等编地球化学戚长谋等编地球化学通论刘本立编地球化学基础陈骏、王鹤年主编地球化学，科学出版社，2004中科院地化所编，高等地球化学，科学出版社，1998张本仁、傅家谟主编，地球化学进展，化学工业出版社，2005赵振华，微量元素地球化学原理，科学出版社，1997各种有关地球化学杂志（不限于专门的地化杂志）、专著地球化学网站和Google,绪论,一、定义和研究内容二、学科特点及与其它学科的关系三、发展简史四、研究方法五、发展趋势六、过去十多年中的成就,一、地球化学的定义和研究内容现代固体地球科学有四大支柱:地质学、地球化学、地球物理、大地测量。地球化学是在地质学基础上分化出来的。1838年，瑞士化学家舍恩拜因（Schnbein)首先提出“Geochemistry”这一名词1942他预言“一定要有了地球化学，才能有真正的地质科学”,从Geochemistry(地球化学)这一术语可看出，它是eology(地质学）与Chemistry（化学）相结合产生的一门边缘科学从这一名词我们能联想到什么?关于地球的化学（？）；利用化学的理论方法研究解决地质问题的学科（与Chemicalgeology比较，叫化学地质学更恰当）,1.定义,地球化学成为一门独立学科后,不同时期的研究者，根据当时的学科发展水平与认识水平，曾下过各种不同定义。,成为一门独立学科的标志？有系统理论和独立研究方法,B.韦尔纳茨基（1922）：地球化学科学地研究地壳中的化学元素，即地壳的原子，在可能的范围内也研究整个地球的原子。地球化学研究原子的历史、它们在时间和空间上的运动和分配，以及它们在整个地球上的成因关系。A.E.费尔斯曼（1922）：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与物理化学条件下的行为。,V.M.哥尔德施密特（1933）：地球化学是根据原子和离子的性质，研究化学元素在矿物、矿石、岩石、土壤、水及大气圈中的分布和含量以及这些元素在自然界中的迁移。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布、分配的规律。WedpohlK.H.etal(1969)（HandbookofGeochemistry):地球化学是研究整个地球中化学元素及其同位素的分布规律性。V.V.谢尔宾娜(1972)（地球化学基础）:研究地球的化学作用的科学-化学元素的迁移、它们的集中和分散，地球及其层圈的化学成分、分布、分配和化学元素在地壳中的结合。,美国地球化学发展方向小组委员会（1973）：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。涂光炽（1985）：地球化学是研究地球（包括部分天体）的化学组成、化学作用和化学演化的科学。刘英俊等（1987）：地球化学研究地壳（尽可能整个地球）中的化学成分和化学元素及其同位素在地壳中的分布、分配、共生组合、集中分散及迁移循环规律、运动形式和全部运动历史的科学。,定义的演化反映什么?,地球化学是研究地球（包括部分天体）的化学组成1、化学作用2和化学演化3的科学（涂光炽，）1指元素和同位素的成分及其分布、分配、共生组合；2物质运动、化学变化所表现出来的化学现象；3元素迁移和分布状态变化史，往往具有方向性与化学定义的对比?研究物质的组成、结构及其变化的科学,推荐定义,2.研究内容,（1）研究范围地球各层圈（大气圈、水圈、地壳、地幔、地核）特别是地壳，以及太阳系（或部分天体）（2）研究对象主要是元素和同位素（这些元素以原子、离子和分子等各种形态运动着）注意:物质四层次:组成原子的粒子，原子粒子，分子粒子和化学实物(气、固、液态）,2.研究内容,（3）研究内容笼统地说,主要内容就是研究自然界（范围）中元素及其同位素（对象）的化学运动（具体问题），并以此来恢复各种地质体和天体的形成历史（目的）。,2.研究内容,具体内容a.自然界元素和同位素的组成（composition）与分布（distribution）这是最基本的任务。意义?b.元素的共生组合规律和赋存形式c.地质运动过程中元素的迁移和循环元素的迁移是地球化学的核心任务之一,d.地球化学的基础理论研究早期理论基础：热力学、晶体化学和分析化学；现代地球化学：又建立起地球化学热力学、地球化学动力学和量子地球化学为基础的理论框架e.地球化学的技术方法研究不断研究和改进元素和同位素的分析测试方法模拟实验,2.研究内容,f.应用地球化学研究在找矿勘查、矿床评价、矿石组成研究及综合利用方面；在绿色农业畜牧业生产、环境保护治理、人类健康方面；在地球演化、生命起源、全球气候变迁、岩石和矿床成因示踪方面。本质和过程研究：地球化学的优势了解过去，研究现在，预测将来,2.研究内容,理论与实际意义?,人类现在面临的资源、环境、人口三大问题都与地球化学有关！,二、地球化学学科特点及其它地球科学学科的关系,1.学科特点（1）属于地质学与化学相结合的边缘学科,虽有化学科学的属性，但不属于化学类学科，而是地球科学中的一个二级学科.其理论基础主要是化学类（含物理化学）科学，研究范围主要是地球、特别是地壳及地质作用体系，目标是运用化学原理来阐明元素在自然界的行为进而解决地质问题。与化学学科的异同?研究物质的组成、结构及其变化的科学,1.学科特点,（2）着重研究地球系统中物质的化学运动规律。研究的物质单位（层次）是原子和离子。此外，地球系统物质力学的、物理学的、生物学的运动规律分别由构造地质学、地球物理学、古生物学等来研究。与同属地球物质科学的结晶学、矿物学、岩石学的异同？后者研究的物质单位是矿物及矿物集合体，研究内容有交叉与地质学各分支学科比较,1.学科特点,（3）年轻的发展中的活跃学科，分枝学科众多,在理论性研究和人类生产生活中的应用都很广.（元素地球化学、同位素地球化学、岩石地球化学、构造地球化学、矿床地球化学、实验地球化学、环境地球化学、生物地球化学等、勘查地球化学等）。理论性：从化学角度查明过程、原因(示踪)：作为天然物质形成和自然过程演化的指示剂。应用性：生态环境评价及治理、农业地质：元素及其化合物的富集和贫化能危害或有利于生物正常发育、生长和繁衍。矿产资源勘探、开发：元素及其化合物能达到具有经济开采价值的天然富集程度。,2.与其它学科的关系-相互渗透、结合,（1）矿物学、岩石学（分类、物源、物化条件、演化、时代？）（2）矿床学（分类、物源、物化条件、演化、时代？）（3）大地构造（构造分区、构造环境、地球动力学、时代?）（4）古生物、地史学、地层学（无化石？分子古生物学、生存环境、沉积环境）,2.与其它学科的关系-相互渗透,（5）古气候学（例：冰川包裹体CO2）（6）灾害学（火山、地震）（7）环境与农业地质（必需、非必需、有害元素）(8)工业（废物处置）,火星,Alvarez(1980):6500万年小天体撞击地球K-T过渡层Ir异常,恐龙灭绝,我国甲状腺肿的分布,低硒区（谷物中Se低于0.025ppm）,克山病区,大骨节病区,我国低硒地区与克山病和大骨节病分布的关系,小麦、水稻、玉米含硒量加权平均值低于0.025ppm的地区正好与克山病和大骨节病的分布区域一致。,地方性氟中毒，地带性氟病，氟骨症氟病区水的氟含量常大于1mg/L。世界约1/10的饮水含氟4mg/L，63%为12mg/L之间。最适区间：0.61.0mg/L。在近百个国家，我国30个省区流行。地带性：干旱半干旱地带，纬度1535，年降水量400mm。非地带性：与高氟地球化学区有关矿床、温泉、火山活动、煤、酸性火山岩和花岗岩等CaF2。,地氟病和龋齿,齿氟中毒,斑釉齿,我国地方性氟中毒的分布,三、地球化学发展简史,1.地球化学的萌芽时期2.地球化学的建立和初步发展阶段经典地球化学阶段3.地球化学大发展阶段现代地球化学阶段4.我国地球化学发展概况,萌芽时期,西周时期（约3000年前）“五行”说将自然物质划分为水、火、木、金、土战国初期(约2500年前)山海经上曾有“上有赭（红土）者，其下有铁；上有铅者，其下有银；上有慈（磁铁矿）者，其下有铜、金”-元素分带、共生组合、找矿标志古希腊亚里士多德(约2350年前)：世界由热、冷、干，湿和以太五种“基本性质”组成，前四种组合为火、气、水、土四种元素，而以太组成与地球完全不同的天宇和星球。,1316世纪：炼金术士和医生们对亚里斯多德的四元素又补充了盐、水银和硫磺。17世纪中叶R.Boyle认为：物质由化学元素组成而不是由性质组成。元素是用化学方法不能再分的简单物质，但并不能确定哪些物质是这种“简单物质”。18世纪后期：把“燃素”也看成化学元素。19世纪初：英国道尔顿创立了原子学说，并着手测定物质的原子量。开始将元素视为具有一定重量的同类原子，奠定了以原子量不同来确定不同化学元素的基础。,1.萌芽时期,18世纪19世纪上半叶，化学、物理学、地质学、采矿业大发展（工业革命）地球化学资料迅速积累，产生了发展地球化学的要求。C.F.Schnbein(1838）-第一次提出“地球化学”概念“一定要有了地球化学，才能有真正的地质科学（1942）”。19世纪下半叶，化学两大进展：光谱分析法（G.Kirchhoff,R.Bunsen;1858)、元素间化学性质相似性的认识：.门捷列夫（1868）元素周期表，提出元素化学性质周期性变化完成了地球化学学科的理论准备。,2.经典地球化学阶段,时间:20世纪初50年代研究内容与手段：着重研究元素的丰度、分布和迁移，手段主要是无机化学、晶体化学和分析化学的方法标志:三大学派、三大成果（1）经验统计方向（或学派)(F.W.Clarke)。重点研究地壳及其各部分的化学元素组成。1908年发表DataofGeochemistry，测定了50多个元素在地壳中的平均含量（克拉克值）；开创实验地球化学,2.经典地球化学阶段,(2)晶体化学方向（或学派）（V.M.Goldschemidt)-着重应用晶体化学理论和方法研究岩石、矿物中元素的分配和结合规律。在地球化学热力学（相律）、晶体化学、元素地球化学方面做出重要贡献；提出元素的地球化学分类-戈氏分类（3）原子历史方向（维尔纳茨基，费尔斯曼）：着重研究原子的迁移，即研究地壳中原子的演化历史。创立地球化学找矿方法、区域地球化学,3.现代地球化学阶段,1)时间:20世纪60年代起2)主要特征（或标志）:分析、实验、探测技术不断改进或获突破性进展，研究领域不断扩大和深入(上天、下海、入地)。新理论的引入（化学热力学、化学动力学、量子力学、物理化学、板块构造）和计算机及电子技术的应用，地球化学向定量化、模型化、预测化方向大步迈进。与相邻学科相互渗透，分支学科不断涌现和建立(1984年时已超过20多个）。在生产生活实践和基础问题研究中发挥的作用越来越大，成果越来越多，研究人材、机构不断增加。,.我国地球化学发展概况,系统的地球化学工作始于20世纪50年代开展区域地球化学测量，建立地球化学研究室（所）（如贵阳、广州地球化学研究所）；高校建立地球化学专业（南大、北大、中科大、长地、武地、桂林工学院）。80年代开始至今逐渐走向成熟，逐渐与国际接轨，某些方面（如勘查地球化学）处于国际先进甚至领先行列。创办的杂志：地球化学、地质地球化学、矿物岩石地球化学通报、ChineseJournalofGeochemistry,侯德封（1900-1980）：提出地层地球化学、化学地史、化学地理的概念，创立了“核子地质学”李璞（1911-1968）：1950年获剑桥大学博士学位，1958-1962年建立我国第一个同位素地球化学实验室，并完成第一批同位素年龄数据。涂光炽（中国科学院院士）：1949年获得明尼苏达大学博士学位在中国最早讲授地球化学课程曾任中国科学院地质研究所和地球化学研究所所长组织和参与了“中国层控矿床地球化学”等课题的研究欧阳自远（中国科学院院士）：天体化学家司幼东（1920-1968）：中国实验地球化学的奠基人张本仁（中国科学院院士）：区域地球化学於崇文（中国科学院院士）理论地球化学谢学锦（中国科学院院士）勘查地球化学,我国部分著名地球化学家,1.自然体系的观点：将研究对象视为一个自然体系，研究体系的内、外部特征并考虑其对化学过程的约束。2.物质的化学运动与其它运动相互联系相互制约共同演化的观点3.将地质问题与现象剖析为地球化学问题与现象来研究4.宏观研究与微观研究相结合，用微观的方法研究宏观问题（宏观着眼，微观入手）5.以地球化学演化的发展论和阶段论为指导进行研究(单向、不可逆；注意不同时期的差异）,四、地球化学的方法论与工作方法,方法论,1.总体研究方法：主要采用类比和反序（反演）的研究方法2.野外工作方法（观察，取样）3.室内研究方法（实验室、资料分析、文献阅读与交流）,四、地球化学的方法论与工作方法,工作方法,1.野外工作方法,(1).现场宏观观察：地质现象的时空结构，查明区内各种地质体的岩石-矿物组成及相关作用关系，并由此提供有关地球化学作用的空间展布、时间顺序和相互关系注意：避免粉末地质学。地质背景清楚的地质体才有研究意义！(2)地球化学取样1).代表性（代表一定产状地质体，取准位置。如岩石化学样要新鲜、无蚀变、无包体等混染物）；2).系统性(不同空间、时间、成因)3）统计性（数量）4).严格性（严格方法、编录，防污染）,2.室内工作方法-试验室,岩矿鉴定（开展其他测试的基础）化学组成精确灵敏的分析测试（XRF，ICP-AES，ICP-MS，TIMS，SIMS，LA-ICPMS等）研究元素的结合形式和赋存状态（电子探针等）作用过程物理化学条件的测定(如pH、Eh、o2、盐度、离子强度、矿质浓度),直接测定法、计算法自然作用的时间参数（同位素测年）实验室模拟自然过程（模拟不同环境化学过程）,2.室内工作方法-资料分析,元素周期表法晶体化学分析法图解法（直观表达地球化学数据分布规律）指示剂法（参数或指示剂示踪）多元统计计算和建立数学模型,2.室内工作方法-文献阅读与交流,教材和专著（理论性和系统性强）杂志（资料新、实用性强，及时报道新思路、新方法、新发现）“GeochimicaetCosmochimicaActa”（USA），“AppliedGeochemistry”（USA），“ChemicalGeology”，“PhysicsandChemistryoftheEarth”（UK），GeochemicalJournal(Japan)，GeochemistryInternation