地球化学学科学简介

1、地球化学地球化学Geochemistry冯有利冯有利 Tel：3987996ffice：Rm.418 （Building of Resources and Environments） e-mail： 绪论绪论 地球化学学科学简介地球化学学科学简介第一章第一章 自然体系中元素的分布自然体系中元素的分布第二章第二章 元素的地球化学亲和性元素的地球化学亲和性第三章第三章 元素的结合规律、赋存形式及元素的结合规律、赋存形式及 自然体系中元素的地球化学迁移自然体系中元素的地球化学迁移第四章第四章 水水-岩作用与水介质中元素的迁移第五岩作用与水介质中元素的迁移第五章章 微量元素地

2、球化学微量元素地球化学第六章第六章 同位素地球化学同位素地球化学绪绪 论论一一. 地球化学的定义地球化学的定义二二. 地球化学学科的发展地球化学学科的发展什么是地球化学？什么是地球化学？ 地球 + 化学？ 地学 地球化学 化学1842年，首次提出了年，首次提出了“地球化学地球化学”这个名词的瑞士化学家这个名词的瑞士化学家Schnbein(申申拜因，拜因，1838年年)就预言：就预言：“一定要有了一定要有了地球化学，才能有真正的地质科学。地球化学，才能有真正的地质科学。” 地球化学学科由来地球化学学科由来Difference between Geology & Geochemistry1

3、.Geology is direct observation and interpretation of field relations to infer history and present state (e.g. hazards and resources) of the solid Earth and its regions.2.Geochemistry is the application of principles of chemistry to understand the Earth (solid, ocean, and atmosphere).3.Likewise, geop

4、hysics and geobiology bring the reductionist rigor of physics and biology to the interpretation of geological observation and inference4. The other sciences are needed to limit the speculation of geologists to plausible ideas, but geology is the anchor of Earth science: it provides the problems to b

5、e solved, and the record of actual events.地球化学的几个经典定义地球化学的几个经典定义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、它们在空间上和时间上的分配和运动，以及它们在地球上的成因关系。 维尔纳斯基（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的各种不同的热力学与物理化学条件下的行为。 费尔斯曼（1922）研究地球及有关天体化学组成、化学作研究地球及有关天体化学组成、化学作用及化学演化的学科用及化学演化的学科与地质学、地球物理学及大地测量学，与地质学、地球物理学及大地测

6、量学，组成固体地球科学的组成固体地球科学的4 4个支柱个支柱 涂光炽（涂光炽（19821982）是地学和化学的交叉学科是地学和化学的交叉学科着重研究化学元素及其同位素在地球演化历着重研究化学元素及其同位素在地球演化历史过程中的分布、迁移规律，并运用这些规史过程中的分布、迁移规律，并运用这些规律来解决有关的理论和实际问题律来解决有关的理论和实际问题 陈道公，支霞臣（陈道公，支霞臣（19941994）In geochemistry, we use the tools of chemistry to solve geological problems; that is, we use chemist

7、ry to understand the Earth and how it works.深入理解地球化学的定义深入理解地球化学的定义从研究对象来看：是地球及其子系统（地壳、从研究对象来看：是地球及其子系统（地壳、地幔及其自然作用体系（岩浆作用、沉积作地幔及其自然作用体系（岩浆作用、沉积作用、变质作用、成矿作用、表生作用、生态用、变质作用、成矿作用、表生作用、生态环境环境），目前正在向宇宙天体拓展；），目前正在向宇宙天体拓展；从研究形式来看：主要是元素（同位素）在从研究形式来看：主要是元素（同位素）在自然界的化学运动形式；自然界的化学运动形式；从研究时间来看：包涵了整个地球、地壳演从研究时间来看

8、：包涵了整个地球、地壳演化和全部地质作用时期；对单个元素（同位化和全部地质作用时期；对单个元素（同位素）来讲，是研究它们的发生、不断发展及素）来讲，是研究它们的发生、不断发展及螺旋式演化的全部历史。螺旋式演化的全部历史。 一、学科性质一、学科性质是地质学和化学类学科相互结合的一门边是地质学和化学类学科相互结合的一门边缘科学缘科学是地球科学中一门分支学科，目前已成为是地球科学中一门分支学科，目前已成为支撑地球科学的二级学科支撑地球科学的二级学科是研究自然体系中物质化学运动形式的一是研究自然体系中物质化学运动形式的一门科学门科学二二. . 地球化学学科的发展地球化学学科的发展地球化学大致成型于地球

9、化学大致成型于20世纪世纪30年代，第二次世界年代，第二次世界大战后的初期成为一门独立学科大战后的初期成为一门独立学科作为独立学科的重要标志：作为独立学科的重要标志： 在一些大专院校开设在一些大专院校开设地球化学地球化学 地球化学研究所、地球化学教研室等科研和地球化学研究所、地球化学教研室等科研和教学单位开始出现教学单位开始出现 以学科命名的学术刊物问世等。以学科命名的学术刊物问世等。Geochimica et Cosmochimica Acta20世纪世纪60年代后地球化学学科获得了重要而快速年代后地球化学学科获得了重要而快速的发展的发展地球化学的发展大致经历两个地球化学的发展大致经历两个主

10、要阶段主要阶段经典地球化学阶段经典地球化学阶段 20世纪世纪20年代年代-50年代年代近现代地球化学阶段近现代地球化学阶段 20世纪世纪60年代以来年代以来17经典地球化学阶段经典地球化学阶段着重研究元素的丰度、分布和迁移；着重研究元素的丰度、分布和迁移； 元素的地壳丰度：元素的地壳丰度：O, Si, Al, Fe, Ca, Na, etc 元素的地球丰度：元素的地球丰度：Fe, Ni, etc 元素的宇宙丰度元素的宇宙丰度: H, He研究的手段主要是无机化学、晶体化学和分析化学的方研究的手段主要是无机化学、晶体化学和分析化学的方法；法；三个主要的代表性人物：三个主要的代表性人物： 克拉克克

11、拉克(F. W. Clarke) 维尔纳茨基维尔纳茨基(B.Bepa) 戈戈(尔尔)德斯密特德斯密特(V. M. Goldsmidt)克拉克克拉克(F. W. Clarke, 1847-1931)美国化学家，地球化学的奠基者美国化学家，地球化学的奠基者他研究了化学元素在地壳中的分布和丰度他研究了化学元素在地壳中的分布和丰度 克拉克值克拉克值他和他的同事华盛顿他和他的同事华盛顿(H. S. Washington)多次多次发表的发表的地壳的平均化学成分地壳的平均化学成分和和地球化学地球化学资料资料是最早的地球化学著作是最早的地球化学著作Frank Wigglesworth Clarke(1847-

12、1931)F.W. Clarke (1847-1931), was a chemist who determined the composition of the Earths crust. He has been called the Father of Geochemistry. 维尔纳茨基维尔纳茨基(B. Bepa ，1863 - 1945)俄罗斯矿物学家俄罗斯矿物学家首先提出了地球化学旋回的概念，并用它来阐述首先提出了地球化学旋回的概念，并用它来阐述化学元素在前后相继的地球化学作用中的演变历化学元素在前后相继的地球化学作用中的演变历史史开创了生物地球化学开创了生物地球化学(Biogeo

13、chemistry)和同位素和同位素地球化学地球化学 (Isotope Geochemistry)研究研究出版了出版了地球化学概论地球化学概论一书一书在莫斯科，设有维尔纳茨基地球化学和分析化学在莫斯科，设有维尔纳茨基地球化学和分析化学研究所，隶属于俄罗斯科学院研究所，隶属于俄罗斯科学院费尔斯曼费尔斯曼维尔纳茨基的学生，俄罗斯地球化学家维尔纳茨基的学生，俄罗斯地球化学家提出了共生序数和晶格能等概念提出了共生序数和晶格能等概念开创了区域地球化学开创了区域地球化学(Regional Geochemistry)和地球化学找矿方法和地球化学找矿方法 化探：化探：俄罗斯地球化学俄罗斯地球化学经典地球化学著

14、作经典地球化学著作戈尔德斯密特戈尔德斯密特(V. M. Goldsmidt, 1887 - 1947)挪威地质学家挪威地质学家矿物晶体化学（矿物晶体化学（crystal chemistry）研）研究，开创了微量元素地球化学的研究。究，开创了微量元素地球化学的研究。提出矿物共生组合的戈氏相律提出矿物共生组合的戈氏相律首次将元素进行地球化学分类首次将元素进行地球化学分类戈尔德斯密特有远见地指出：戈尔德斯密特有远见地指出：地球化学不仅要研究元素的分布和丰度，而且要地球化学不仅要研究元素的分布和丰度，而且要研究同位素的分布和丰度；研究同位素的分布和丰度；不仅要研究地球的物质成分，而且要研究宇宙的不仅要

15、研究地球的物质成分，而且要研究宇宙的物质成分物质成分他十分强调要研究那些支配元素和同位素分布的规律他十分强调要研究那些支配元素和同位素分布的规律戈尔德斯密特的上述观点，对现代地球化学的发展产戈尔德斯密特的上述观点，对现代地球化学的发展产生了重大影响生了重大影响他发表了一系列著作，遗著他发表了一系列著作，遗著地球化学地球化学(1954)是一是一本经典的元素地球化学著作本经典的元素地球化学著作 戈尔德斯密特曾在德国哥廷根大学工作多年，现在该戈尔德斯密特曾在德国哥廷根大学工作多年，现在该大学设有戈尔德斯密特地球化学研究所大学设有戈尔德斯密特地球化学研究所国际地球化学奖国际地球化学奖20世纪世纪70年

16、代起，美国地球化学协会为了表年代起，美国地球化学协会为了表彰对地球化学发展做出贡献的各国科学家，彰对地球化学发展做出贡献的各国科学家，设立了戈尔德斯密特奖和克拉克奖：设立了戈尔德斯密特奖和克拉克奖：戈尔德斯密特奖戈尔德斯密特奖奖励有重大贡献的地球奖励有重大贡献的地球化学家化学家克拉克奖克拉克奖奖励有成就的年青地球化学工奖励有成就的年青地球化学工作者作者近现代地球化学阶段随着各项技术的发展随着各项技术的发展(高温高压实验技术、宇航技术、高温高压实验技术、宇航技术、核物理探测技术等核物理探测技术等)，地球化学的研究领域不断扩展，地球化学的研究领域不断扩展，朝着地球内部和宇宙空间发展：朝着地球内部和

17、宇宙空间发展： 形成了以研究地幔为对象的深部地球化学；形成了以研究地幔为对象的深部地球化学； 形成了研究陨石、月球、宇宙尘等的宇宙化学形成了研究陨石、月球、宇宙尘等的宇宙化学发展了同位素研究，建立了同位素地球化学发展了同位素研究，建立了同位素地球化学更加注意了物理化学、热力学和动力学的理论和方法，更加注意了物理化学、热力学和动力学的理论和方法，发展了各种地球化学的模式研究，形成了地球化学全发展了各种地球化学的模式研究，形成了地球化学全面发展的新时期面发展的新时期近现代地球化学的特点研究领域不断扩大研究领域不断扩大 现代地球化学把其研究领域从地上转向现代地球化学把其研究领域从地上转向天上、从地表

18、转入地下、从大陆转向海天上、从地表转入地下、从大陆转向海洋，有人形象地称为上天、入地、下海。洋，有人形象地称为上天、入地、下海。这是当代科学技术的发展对地球化学的这是当代科学技术的发展对地球化学的要求，也是地球化学发展的必然结果。要求，也是地球化学发展的必然结果。2. 研究内容不断深化研究内容不断深化 在不同的领域内，现代地球化学都得到在不同的领域内，现代地球化学都得到了不同程度的深入发展：了不同程度的深入发展： 建立了元素丰度体系，提出了更实建立了元素丰度体系，提出了更实用和有效的元素地球化学分类；用和有效的元素地球化学分类； 提出了微量元素定量分配的理论模型；提出了微量元素定量分配的理论模

19、型； 在同位素分馏作用中广泛应用了热力在同位素分馏作用中广泛应用了热力学的理论和方法学的理论和方法 3. 人才、机构不断增加经典的地球化学研究工作主要集中在美国、俄经典的地球化学研究工作主要集中在美国、俄罗斯和德国等少数几个国家。罗斯和德国等少数几个国家。现代地球化学无论是在发达国家或是发展中国现代地球化学无论是在发达国家或是发展中国家都得到了迅速的发展，各个国家相继建立了家都得到了迅速的发展，各个国家相继建立了地球化学研究机构、成立地球化学协会、出版地球化学研究机构、成立地球化学协会、出版地球化学专门刊物，积极培养地球化学专业人地球化学专门刊物，积极培养地球化学专业人材。有许多国家合作开展的

20、全球性研究计划促材。有许多国家合作开展的全球性研究计划促进了各国有关地球化学学科的发展和研究水平进了各国有关地球化学学科的发展和研究水平的提高的提高4. 4. 地球化学的分支学科不断涌现和建立 随着地球化学理论体系逐步建立及其和相邻学科的互相结合和渗透，一些专门研究领域的地球化学分支学科迅速发展起来。地球化学的分支学科有许多划分方法。 按研究的空间范围划分：地幔地球化学、区域地球化学、水圈地球化学等； 按研究观察对象划分：同位素地球化学、微量元素地球化学、有机地球化学、生物地球化学等；国际上主要地球化学学术机构国际上主要地球化学学术机构 国际地质科学联合会国际地质科学联合会(IUGS)和国际纯

21、粹和应和国际纯粹和应用化学联合会用化学联合会(IUPAC)都成立了地球化学的专都成立了地球化学的专门组织。门组织。 1965年在巴黎成立了国际地球化学和宇宙化年在巴黎成立了国际地球化学和宇宙化学学会学学会(IUGC)。美国的地球化学研究队伍如：加州理工学院美国的地球化学研究队伍如：加州理工学院(Caltech)，麻省理工学院，麻省理工学院(MIT)，加州柏克利，加州柏克利大学，斯坦福大学，联邦政府的美国地质调查大学，斯坦福大学，联邦政府的美国地质调查所所(USGS)，私立的卡内基研究院，私立的卡内基研究院(Carnegie lnstitution of Washington)法国巴黎第六、第七

22、大学；法国巴黎第六、第七大学； 堪培拉国立澳大利亚大学；堪培拉国立澳大利亚大学； 英国剑桥大学；俄罗斯的莫斯科大学英国剑桥大学；俄罗斯的莫斯科大学等都是世界一流的地球化学研究中心。等都是世界一流的地球化学研究中心。国际上主要学术刊物国际上主要学术刊物Geochimica et Cosmochimica ActaEarth and Planetary Science LettersGlobal Biogeochemical CyclesJournal of Geophysical ResearchJournal of Geochemical ExplorationGeophysical Rese

23、arch Letters国内主要学术机构和刊物 中国矿物岩石地球化学学会中国矿物岩石地球化学学会 中国科学院地球化学研究所（贵阳）中国科学院地球化学研究所（贵阳） 中国科学院广州地球化学研究所中国科学院广州地球化学研究所 南京大学地球科学系矿物岩石地球化学专业南京大学地球科学系矿物岩石地球化学专业地球化学地球化学 Geochimica Sinica地质地球化学地质地球化学岩石学报岩石学报二、地球化学研究内容二、地球化学研究内容 概括起来地球化学是研究地球以至宇概括起来地球化学是研究地球以至宇宙（自然体系）的化学组成、化学作宙（自然体系）的化学组成、化学作用和化学演化用和化学演化三、地球化学肩负

24、的重任三、地球化学肩负的重任1、地球化学与其他基础学科一起，肩负着、地球化学与其他基础学科一起，肩负着解决地球科学面临的五大基本理论问题：解决地球科学面临的五大基本理论问题： 太阳系、地球、生命、人类和元素的起源太阳系、地球、生命、人类和元素的起源和演化的重大使命和演化的重大使命2、地球化学作为地球科学的一门支柱学科，、地球化学作为地球科学的一门支柱学科，肩负着丰富地球科学理论和发展地球科肩负着丰富地球科学理论和发展地球科学理论的重任。学理论的重任。 地球化学为地球科学的发展作出了重地球化学为地球科学的发展作出了重大贡献。大贡献。 例如：例如：1）地球的形成与演化）地球的形成与演化 同位素地质

25、年代学研究表明，地球的同位素地质年代学研究表明，地球的年龄为年龄为46亿年，在西澳大利亚测得年龄亿年，在西澳大利亚测得年龄为为42亿年的太古宙沉积岩中的碎屑锆石亿年的太古宙沉积岩中的碎屑锆石年龄，说明花岗岩是地球历史早期活动年龄，说明花岗岩是地球历史早期活动的参与者。的参与者。 气体地球化学研究表明，原始地球没气体地球化学研究表明，原始地球没有大气，大气层是通过地球自身的排气有大气，大气层是通过地球自身的排气作用产生的，大约在作用产生的，大约在18.5亿年左右。亿年左右。2）地球化学为板块构造理论的建立过程立）地球化学为板块构造理论的建立过程立 下不可磨灭的功勋下不可磨灭的功勋 板块构造简单说

26、来，就是地球的冷板块构造简单说来，就是地球的冷外壳即岩石圈分裂成数目有限的彼此相外壳即岩石圈分裂成数目有限的彼此相对运动的大板块，新的岩石圈在洋中脊对运动的大板块，新的岩石圈在洋中脊板块离散处产生，并随着时间和准却程板块离散处产生，并随着时间和准却程度增加而加厚。在板块汇聚处，即在岛度增加而加厚。在板块汇聚处，即在岛弧和年轻的山系所在处，老的大洋岩石弧和年轻的山系所在处，老的大洋岩石圈又回返到地幔中去。板块的这种运动圈又回返到地幔中去。板块的这种运动模式已为地球化学所证实。模式已为地球化学所证实。洋中脊海底扩张海底扩张t=0 10 20 30 Ma30 20 10 3)地球化学为地外物质撞击地

27、球引起生物地球化学为地外物质撞击地球引起生物大规模死亡事件提供了有力证据。大规模死亡事件提供了有力证据。西班牙西班牙Barranco del Gredero K/E剖面剖面Ir（铱）含量的变化（铱）含量的变化4）地球化学在研究全球环境变化中也有着）地球化学在研究全球环境变化中也有着不可替代的地位，通过海底沉积物、湖不可替代的地位，通过海底沉积物、湖泊沉积物、古土壤、树木年轮和冰心的泊沉积物、古土壤、树木年轮和冰心的同位素和微量元素研究，可以恢复古气同位素和微量元素研究，可以恢复古气候。了解古冰期和近万年来的气候和环候。了解古冰期和近万年来的气候和环境变化，并可探讨地质地球化学作用和境变化，并可

28、探讨地质地球化学作用和人类活动对环境的影响，预测未来的环人类活动对环境的影响，预测未来的环境变化。境变化。“ “骨痛病骨痛病”的元凶是谁？的元凶是谁？在十九世纪末，欧洲有一个矿业主，开铅、锌矿暴发在十九世纪末，欧洲有一个矿业主，开铅、锌矿暴发后，转入了金融界，他在废弃矿场附近的风景优美处，后，转入了金融界，他在废弃矿场附近的风景优美处，盖起了一幢豪华别墅，把他的双亲及仆人接进别墅享盖起了一幢豪华别墅，把他的双亲及仆人接进别墅享晚年。然而没有过几年，别墅中的主人、仆人都得了晚年。然而没有过几年，别墅中的主人、仆人都得了一种奇怪的病，浑身上下的骨骼疼痛难忍，到了后期一种奇怪的病，浑身上下的骨骼疼痛难忍，到了后期骨骼极为疏松，手脚稍用力，弯腰略一闪，骨骼就断骨骼极为疏松，手脚稍用力，弯腰略一闪，骨骼就断裂、破碎，最后住在别墅中的人一个个在痛苦的呻吟裂、破碎，最后住在别墅中的人一个个在痛苦的呻吟中死去。中死去。“克山病克山病” Mo, Se5）大型、超大型矿