地球化学第一章总论.

地球化学陈远荣，桂林理工大学地球科学学院2011，秋季学期前言一、主要讲授内容：1、总论（发展历史、概念、方法论和主要任务）2、地球化学基础知识3、地球的化学组成4、元素的结合规律和赋存形式5、水—岩化学作用和水介质中元素的迁移6、地球化学热力学和地球化学动力学7、微量元素地球化学8、同位素地球化学二、主要参考书1、个别元素地球化学：《元素地球化学》刘英俊等，科学出版社，1984《金的地球化学》刘英俊，马东升，科学出版社，1991《钨的地球化学》刘英俊，马东升，科学出版社，1987《Geochemistry》V.M.Goldschmidt,OxfordattheClarendonPress,1954(《地球化学》V.M.戈尔德施密特著，沈永直，郑康乐译，科学出版社，1959）《元素化学》N.N.Greenwood,A.Earnshaw著，李学同等译，高等教育出版社1996。3、元素地球化学方法《UsingGeochemicalData:Evolution,Presenta-tion,Interpretation》HughR.Rollinson,LongmanScientific&Technical,1993(《岩石地球化学》HughR.Rollinson著,杨明学等译，中国科学技术大学出版社，2000：1、3、4、5章)《变质岩原岩图解判别法》王仁民等，地质出版社1987（有关利用化学元素判别的部分）《勘查地球化学》刘英俊，邱德同等，科学出版社，1987《矿物温度计和矿物压力计》张儒媛，从柏林地质出版社，1983《地球化学探矿》阮天健，朱有光，地质出版社，1982三、地球化学网站和Google总论一、地球化学含义：地球化学是研究自然界，主要是地球及其各组成部分的化学演化及其机理的科学。它作为一门独立学科形成于20世纪初，是化学与地质学之间的交叉研究领域。二、地球化学的重要性（1）作为地学的重要分支，从微观角度审视各类自然地质现象；（2）从地球化学解读成矿体系；（3）是地学发展的需要、找矿勘查的需要、国家经济发展的需要。一、回溯历史化学元素概念的发展公元前900年：《易经》：世界万物的根源是天、地、雷、火、风泽、水、山。战国末年：《尚书》提出了“五行”的概念；在稍后的《国语》中认为“土与金、木、水、火杂以成百物”。古希腊的哲学家亚里斯多德：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。春秋战国时代《管子》的“地数篇”记载：“山上有赭石者，其下有铁；上有铅者，其下有银；上有丹砂者，其下有黄金；上有磁石者，其下有铜金”，这里包含了利用矿物分带和元素分带找矿的思想。唐代颜真卿曾记述：“山上有葱，地下有银；山上有韭，地下有金；山上有姜，下有铜锡”，这里有植物找矿的思维。北宋时期的沈括在“梦溪笔谈”中写道：“信州铅山县有苦泉，流以为涧。其水熬之，则成胆矾。烹胆矾则成铜，物之变化，固不可测”，这里有铜可以随天然水迁移的地球化学特征。13～16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、水银和硫磺的性质。17世纪中叶认为：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。19世纪对化学元素认识的飞跃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。1838：瑞士化学家舍恩拜因(C.F.Schönbein,1799~1868)首次提出地球化学geochemistry这一术语1841：瑞典化学家贝齐里乌斯(J.J.Berzelius,1779~1848)据已发现的一些元素，如硫、磷等能以不同形式存在的事实，提出了“同素异性”的概念，由此而区分了化学元素与单质的概念。19世纪对化学元素认识的飞跃1862：法国矿物学家陈库尔托斯(Alexandre-EmileBeguyerdeChancourtois,1820~1866)对已知元素的系统组织提出了“圆柱—螺旋”表，最早发现化学元素的周期性。1868：德国科尔契霍夫(G.R.Kirchhoff,1824~1887)和本森(R.W.Bunsen,1811~1899)发明光谱分析法。1868：俄罗斯门捷列夫创建周期律。1895：德国伦琴（1845~1923）发现X-射线。1896：法国亨利（B.A.Henri，1852~1908）发现铀盐具有放射性。各族中至下而上原子或离子的半径减小；周期表中从左到右原子或离子的半径减小；对角线上下相邻的两离子半径大致相同。1913年的重大突破英国科学家索迪(FrederickSoddy,1877-1956)在研究放射性系列时发现，某些原子量相近的放射性元素之间不能用化学方法分离，也不能与某些原子量相近的天然非放射性元素分开，它们都落在元素周期表的同一个方格中。为了说明该现象，他引入了同位素的概念。同年，英国科学家摩斯莱(HenryGwynJeffriesMoseley,1887-1915)系统研究了各种已知元素的X-射线的波长，提出原子的核电荷数是化学元素的特征。也在同一年，荷兰业余理论物理学家布洛克（AntonvandenBroek）提出，元素周期表应以每种原子的核电荷数顺序排列。1923年国际原子量委员会决定：化学元素是指由具有相同核电荷的同一类原子二、学科的形成和发展地球化学的诞生奠基阶段（20世纪初~30年代）地球化学作为一门独立学科形成于20世纪初，主要奠基人为美国化学家克拉克(F.W.Clarke,1847—1931)、挪威矿物学家和地球化学家戈尔德史密特(V.M.Goldschmidt,1888—1947)、俄罗斯矿物学家和地球化学家维尔纳茨基(1863—1945)及费尔斯曼(1883—1945)等。1908：F.W.Clarke出版了DateofGeochemistry发表了50个元素的地壳平均含量。20~30年代期间：挪威地球化学家V.M.Goldschmidt出版了Geochemistry。这是有关个别元素地球化学的第一本系统专著。俄罗斯地球化学家维尔纳茨基和费尔斯曼等分别出版了《地球化学概论》和《地球化学》（共四卷），对生物地球化学、放射性元素地球化学、区域地球化学，以及伟晶岩和地球化学探矿（化探）进行了论述。地球化学的发展理论和学科发展阶段（30~60年代）二十世纪30年代，前苏联的一些地球物理探矿学家首先运用光谱分析结果评价物探异常是否属于矿致异常。苏联取得成功后，挪威、瑞典、芬兰纷纷仿效。于40年代美国、加拿大等国家也开始做试验，并取得明显效果。50年代，英法等国也得到应用，以后逐步推广到其他国家。我国在50年代形成了独立的地球化学学科，成立了有关的研究室、所和教研室，开展了针对找矿的地球化学勘察和填图。地球化学的学科渗透深入发展和交叉扩散阶段（60年代迄今）新的仪器测试技术、研究方法和新的探测领域对有关经济重要性和指示性元素及元素群认识的深化元素丰度和背景数据的补充和更新地质流体的元素地球化学研究向各个相关领域快速扩散，针对不同研究领域而发展出大量分支学科，等等。发展趋势（1）在研究规模上,从局部地区向全球对比发展；（2）在成果性质上,从解释性向预测性发展；（3）在研究领域上,从资源向环境发展；（4）在研究形式上,从静态描述向动态过程发展；（5）在研究对象上,从单体向其界面及相互作用发展；（6）在物质组分上,从含量确定向通量研究发展；（7）在自然作用上,从研究显性过程向隐性过程发展；（8）在科研协作上,从单一学科向大跨度学科渗透发展；（9）在研究重点上,从固体研究向流体作用发展。元素种类—贵金属元素、稀缺元素和为不同研究目的寻找新的指示元素。自然过程—深部作用，低温过程，动力学过程，地流体（Geofluid）及其作用，生物作用，以及不同地质过程的相互作用。应用领域—农业，养殖业，矿产资源综合利用，环境中元素的生物效应，环境和水污染及其监测、治理和可持续发展。1、扩展研究范围2、引进先进手段：在宏观和微观上发展和应用更精确、更灵敏、更快速、更完整的观察、测试手段和仪器设备，包括微区微量、遥测遥感和有关的数字化信息处理技术。3、研究组合关系：在对个别元素研究的基础上，深入认识和确定不同环境条件和自然过程及其相互作用的元素组合关系特征。4、重视区域研究：地球化学省和金属成矿省的分布与成因；元素背景值的精确和完善及其结构研究，尤其是地流体的地球化学背景；自然过程的元素区域通量研究；建立区域地球化学数据库。5、发展基础理论：元素的迁移形式、赋存状态和活化与沉淀条件，尤其是溶液地球化学；补充完善元素的热力学和动力学参数，尤其是在高温高压条件下的参数；发展有关元素活化—迁移—沉淀的实验地球化学和数值模拟技术和方法，并建立相关模型和发展新的理论或假说。6、探索未知领域：发现新的元素存在形式和状态；研究勘查自然新领域的化学特征、作用过程和演化历史等。三、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。它们由所要了解和解决的问题决定。地球化学自20世纪60年代末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，而发芽成长了。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。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”（OrientationsInGeochemistry)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已由化学元素在地壳中的行为和迁移历史阔宽至地球及其层圈的化学组成、化学作用和化学演化；并由元素原子层次为主上升到地球及其层圈甚至行星