张本仁地球化学课件.ppt

地球化学的学科性质、基本思想和方法论,一、地球化学的学科性质,（一）问题的提出 1 如何使我国地球化学更好地适应地学发展进入地球系统科学新阶段的需要。地球化学建立的初期就是力求将自己的研究领域扩及整个地球与有关的宇宙（如1954年出版的V.M.Goldschimdt的Geochemistry),但我国地球化学研究主体局限于小系统的探索实践，限制了人们的视野。2 在地学界对地球化学学科性质还存在的一些模糊认识，诸如，“地球化学是研究地球中元素-原子行为的微观学科”，“构造是运动、地球化学是物质”，“矿物学、岩石学、矿床学和地球化学是一类的学科，因而教育部系统地球化学专业受此观点影响曾发生三起三落的波折。3 学校地球化学专业培养出的学生不知如何在地球化学思维指导下开展野外工作。野外工作就是地质观察加取样，缺乏地球化学研究构思。,（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,恩格斯于19世纪70年代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。,（三）地球科学中的三大类学科,按所研究物质运动的特征看，地球科学中存在三大类学科：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、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。,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）、大陆和地幔动力学（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。,3、前面两类地学学科的应用性学科,解决资源、环境、地质灾害等方面的应用学科，诸如矿床学、石油和天然气地质学(经济地质学)、环境地质学、水文学、地震学、火山学、地质工程学、矿产勘探学，等等。这些学科多属于第1类地学学科的应用类型。探索地球及作为上述应用学科支撑方法技术的学科，诸如，钻探学、掘进学、勘查地球物理学、勘查地球化学、遥感地质学、生物标志物地球化学示踪、同位素年代学，地质样品测试等等。此类应用学科多属于第2类地学学科的应用类型。,（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（生物分子学）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。,接上,国际知名的宇宙学家尤里（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。,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变化，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）第一阶段的基本思想和研究范围,时间范围：20世纪初60年代末。背景：经近一个世纪的化学元素的寻找发现，于1900年左右，门捷列夫周期表中预测的元素基本被发现。在20世纪最初20年内，原子结构和组成，分子结构和化学键学说均先后在化学中建立.化学的发展刺激了地质学考虑各类矿物、岩石和地质体究竟是什么元素组成的，大量开展化学分析，积累了大量数据，从中发现了许多事实规律，需要理论阐明，同时也开始了产生了将成岩、成矿作用与元素分配、迁移联系起来的思想，地球化学就应运而生了。再者当时热力学虽在化学中广泛应用，但在地球化学中因缺乏自然界物质的参数，只能定性有限应用（如矿物相律等），使得地球化学偏重由原子、离子结构和性质以及晶体化学微观学说，来阐明元素的相互结合与分配；而且当时多数矿物的晶体结构及元素在其中的晶体化学参数（离子和原子半径等）均需地球化学家自己研究，例如，Goldschmidt在研究矿物晶体结构、测定离子半径、发展晶体化学、以及创立地壳元素分配行为的晶体化学法则等方面就做出卓越的贡献，不仅促进了地球化学的发展，同时对化学也是重要贡献。,接上,研究任务和范围：根据Goldschmidt(1954)地球化学：“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、水及气圈中的分配和含量以及这些元素在自然界的迁移。这门科学不仅限于研究用来区别物质的最根本单元的化学元素，还包括研究各种同位素（或原子的种类；注；现称核素）的分布和丰度，并包括核子在宇宙中的出现率及稳定性等问题”。表明地球化学早期的设想就是建立全球系统的学科，只是受取样的限制，研究采集中于外部层圈。任务着重于研究岩石、矿物等地质体的化学成分及其形成的化学作用，即地学小系统的化学。总之，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，地球化学的研究内容和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）现阶段地球化学基本思想、研究对象和研究层次,地球化学进入新发展阶段的背景：（1）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，使地学于80年代后逐步发展进入地球系统科学时代，即由地球层圈互相作用观点来探索地球的发展和演化。（2）二次世界大战后，人类社会进入发展原子能、电子和探索宇宙空间的时代，拉动了科学技术的全面发展。促使地球化学发展出以下重要功能：在放射性元素原子衰变原理基础上，发展出各种地质年代测定法，为地学武装了时间标尺；建立多种微量元素及稳定和放射成因同位素示踪理论，使试探测地质物质来源、深部物质组成和过程、以及追索过去环境和气候演化等成为可能；在测定了地学常常涉及的矿物和自然界物种的热力学参数及元素在不同相间分配系数的基础上，使应用多相平衡理论定量研究自然作用过程及其状态成为可能,有机地球化学和生物地球化学的迅猛发展，也加强了生物圈与其他层圈物质和能量交换及互相作用的研究。由于各类测试和实验仪器与设备、深海探测技术、宇宙空间卫星和遥感检测方法等的发展，加之，南极和沙漠中陨石发现和收集的增多，大大开拓了地球化学“上天、入地和下海”的能力，使地球化学在研究地球层圈、整个地球系统，乃至太阳系和有关天体的设想有了实现的可能。（3）工、农业发展带来的日益严重的矿产资源、能源、环境污染及地质灾害等问题，也成为推动地学和地球化学发展的重要动力。（4）阐明矿物化学、岩石化学以及许多常见元素在一般地质作用中的分配、迁移行为的早期地球化学任务已经基本完成。因此，地球化学自上世纪70年代就开始向新阶段过渡。,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主要研究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；并且已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,在这里元素及其行为在多数情况下，已不再是研究对象，而成为了研究解决层圈和全球系统问题的基础和手段。地学的其他基础学科的情况也如此。/现代地球化学中，以元素为研究对象的领域只有元素地球化学和同位素地球化学两个分支学科了。即使在这两个分支学科中，完全以元素为对象进行研究的重点只限于以往研究不足的元素和同位素，以及特殊条件下的元素和同位素行为（下地幔和地核高压下的行为），当然也包括元素起源研究方面的新问题。其余均是将元素和同位素作为示踪剂来研究，开拓应用它们指示地质过程和层圈互相作用的理论和方法。现代地球化学更贴近以研究和解决地球科学的共同问题为自己的目标和任务，但坚持从化学角度，以化学理论和方法来研究问题。亦即地球化学从化学角度帮助地学现代化。,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。应用辩证唯物主义哲学观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，供大家参考和借鉴。,（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：,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，并在系统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，有相对适中的体积，在太阳系中的轨道位置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。,接上,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）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，研究低级层次结构部分（系统的子系统），需要以高级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。,2.寓于地球物质运动中的化学、力学、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 板块会聚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。,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制约和转化的。因此，地球系统中的化学运动不是完全独立的，它要受到系统中力学和动力学、物理学及生物学运动施加的作用和约束，而同实验室和化工厂的人为化学系统中的作用和流程不同。在自然界一切类似人为化学系统的加和卸料、过程衔接、搅拌、震动及热动力条等的设置等均是由地质构造运动、流体动力学、地球物理场、生物等因素限定的。,（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（例如，地球化学示踪某基底岩层可能是岩浆的源区，还须考虑该岩层有否有发生部分熔融的条件，由该岩层的变质相判断）。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。例如，解决古洋盆闭合时间问题，可转化为被动陆缘沉积由本侧大陆一源供应转化为两陆块碎屑物混合的时代问题；将大陆俯冲的证明问题转化为仰冲盘中花岗岩的源区是否为俯冲盘中基底岩层的证明问题。,3.地球层圈相互作用与物质（再）循环的观点,（1）观点的阐明 地球形成过程或初期，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（类似巨大的热引擎），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和分异，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。,(2)方法论意义,地球层圈相互作用构成了一个完整的地球动力学系统。所有地学问题的研究均应以地球层圈相互作用的思想为指导。例如，现今国际地球科学的两大前沿领域全球变化和大陆动力学研究，均是以层圈相互作用为指导思想，以层圈间物质循环和能量交换为方法手段。不同的只是：全球变化研究涉及的主要是大气圈、水圈、生物圈和岩石圈（即天、地、生）的相互作用及物质和能量循环，其中包含人类的活动；而大陆动力学研究涉及的主要是地壳、地幔和地核的相互作用及物质和能量循环。,4.地球化学演化的旋回性和不可逆性观点,(2)观点的阐明地球上同一地质现象和作用，诸如岩浆、沉积、变质等地质作用与造山运动等，在各个地质时代和阶段均有发生，表明在地球历史中相同的地质事件可以重复出现，即发展具有旋回性、循环性或重现性。然而，考查证明类似的地质事件随时间推移会发生质的变化，如幔源岩浆作用仅在早前寒武纪形成科马提岩，以后则为玄武岩；沉积铁矿类型早前寒武纪为硅铁建造、震旦纪为鲕状赤铁矿、显生宙为湖相沉积铁矿：板块构造体制也只大约出现于18亿年以后，,接上,早的构造体制目前尚不清楚。地球上的生物则是从无到有、由低级向高级演化，甚至突然发生大规模的灭绝（灾变）。这体现出地球和地球化学演化总体上的不可逆性。所以地球化学演化具有螺旋式上升发展规律。造成本规律的因素主要为：（1）地球放射性能源随时间的衰减（不可逆的）；（2）地球各层圈相互作用引起的层圈组成和状态的变化，尤其生物圈的发生、发展对大气圈、水圈和岩石圈影响造成的地球表层的环境变化（不可逆的）；（3）地球在银河系和太阳系中轨道运行位置变化、速度的波动、太阳亮度变化、天体的陨落撞击等（主要引起周期性重现，节律或灾变）。,（2）方法论意义,进行地学课题和地球化学演化研究时，应以旋回-不可逆性观点，或者发展论和阶段论的思想为指导。根据循环性或重现性规律，将今比古的研究原则是可行的；然而根据演化的不可逆性，则应注意这一原则只适用于地球历史的特定阶段。例如，注意不要将板块构造体制阶段发生的地质事件的特征和规律，机械地套用于前板块构造体制时期。重视地球层圈与各类地质事件在地球历史中化学演化规律的研究。,四、地学和地球化学主体研究的反序性,说明：除了现代地球表层正在进行的物质运动（含地球化学运动）过程可以直接观察外，绝大多数地学运动过程（含地球化学运动）均不能直接观察，并且绝大多数属于已完成或已结束了的过程。所以地学和地球化学研究基本是根据运动过程的遗迹或记录追索运动过程及其历史的科学，即基本采用反序的研究方法。因此，培养和具备善于取得和分析运动记录的能力，这点是十分重要的。,2.地球化学记录,地质运动的记录是：板块、地体、造山带、盆地、地层、岩体、岩带、矿带和矿床、岩石、矿物等的结构、相互关系与时空序列，以及地形地貌等。构造地质学研究力学运动的记录是各类地质体的变形及其序次、特征和组合等。古生物是根据化石记录研究生物的进化。地球物理学依据各类地质体的密度、重力、温度、磁学和电学等物理性质，以及传导热、电和地震波等的性能来探讨地球的结构和物理学运动。那么什么是地球化学运动的记录？,接上,我们认为地球化学运动的记录既应该包括各类地质体的化学和同位素组成，还应该包括地质体的岩石和矿物组成（各类化合物及其组合）、元素的赋存形式，各类化合物（岩石、矿物）相互反应转化的关系与时空序列，以及各类地质事件所反映的物理化学环境。因为，元素原子在地球中非裸体的，而是呈各种结合态的。再者如果地球化学只将元素和同位素组成作为记录，则不仅在野外工作阶段根本无法进行真正意义的地球化学观察、建立某些地球化学研究的设想，而且还会漏失大量有意义的地球化学信息。这样研究的指导思想实际上仅能是一般地质学思维，而非地球化学思维，因而必然就会限制地球化学学科潜力与专长的充分发挥。现在需要解决的问题是如何在野外工作阶段，能充分地收集地球化学信息，建立起地球化学研究的工作假说，使地球化学研究能在野外和室内连续一贯。,(3)如何提高地球化学记录收集能力,在这方面我们的主要体会是：在地质观察基础上，只要善于应用矿物化学、岩石化学和地球化学知识及化学和物理化学知识，赋予地质现象和事件以化学和物理化学本质，就可获得丰富的地球化学信息：由地质体的岩石和矿物组成，就可知地质体的主要化学组成，根据矿物中元素的类质同象关系，还可推知可能会富集哪些微量元素，以及由地质体基本化学成分推知它所具有的物理化学作用，如根据石灰岩(CaCO3)属于强碱弱酸盐类的性质,就可知它能起中和溶液酸性的碱性地球化学障的作用，等等。由岩石和矿物的交代反应关系，就可获得有关地球化学过程及其物理化学环境的信息。如由岩石的黄铁绢,接上,英岩化，就可知在交代过程中有大量碱金属和碱土金属元素自岩石带出，交代过程属于酸性淋滤作用。又如，在金属矿床氧化带中见到方铅矿(PbS)边缘部分被铅矾(PbSO4)交代,后者又被白铅矿(PbCO3)交代的环带构造，就可知S2-被氧化为SO42，后者又被CO32-代替，而溶液也由早期的酸化到后期转化为碱性，从而获得了矿床氧化作用过程及其介质性质变化的信息，等等。剖析地质作用和现象的物理化学实质。例如，岩浆形成、结晶和离熔等作用实质均是两个共存相间的元素分配过程及造成元素集中和分散的机制；张性裂隙的发生对流体说，实质就是造成减压环境；糜棱岩化使岩石粉碎、颗粒变细，即增大颗粒的表面能，导致地球化学反应速率的增大，等等。,接上,围绕研究目标，在已掌握的地球化学记录和信息、并据之形成的有关区域某些问题的地球化学初步认识的基础上，再考虑区域内具有哪些适合地球化学研究的地质条件，就可制定出进一步深入地球化学研究的构思与规划，保证能更有针对性、更有效地进行取样及开展室内测试和研究。循此方向，不断努力摸索和锻炼，就必定能改善和提高在地学和地球化学思维指导下的野外工作，实现野外和室内研究思想的连续一贯、学科思想和研究实践完整统一的地球化学研究。这样才有利于充分发挥地球化学学科的专长和优势。,五、结论,各类科学的哲学思想在各该科学领域研究中具有认识论和方法论的重要意义，是科学发展与开拓创新的战略性思想指导。科学工作者必须学习辨证唯物论，掌握辨证唯物论思维。科学研究不仅需要事实论证和理论论证，而且还需要哲学论证。,