地球化学讲稿.docx

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1、地球化学（一）概述 张德会会：同学学们，今今天给大大家讲地地球化学学，什么么是地球球化学？他在地地球科学学中的地地位如何何？地球球化学是是地球化化学的分分支学科科，那么么地球化化学研究究的主要要内容是是什么？地球科科学大家家庭中的的一个新新成员在在半个多多世纪以以来，地地球化学学是迅猛猛发展，已经成成为地球球科学的的中心学学科，他他的根本本原因是是什么？地球化化学对于于地球科科学的作作用体现现在哪里里？那么么在本次次课程中中，我们们分五个个部分来来讲解地地球化学学。 这里面面显示的的第一个个是概述述，第二二个是元元素的地地球化学学分类，第二是是元素在在地球和和地壳中中的分布布和分配配。三是是微

2、迹元元素地球球化学及及其研究究意义。五是同同位素地地球化学学及其研研究意义义。 我们先先谈第一一个问题题概述。这一张张卡通片片是目前前地质学学家在等等矿产资资源大国国的社会会地位的的一个显显现这一一位警察察说：“Outt oof thee wway，youu ffooll！a GEEOLOOCISST is coominng！地地质学家家来了，滚开你你这个傻傻瓜。那那么地质质学从英英文讲ggeoggnossay，他是一一门自然然科学要要讲地质质化学首首先我们们要简单单给大家家讲一下下什么是是地质学学，我们们知道自自然科学学有六大大自然科科学门类类，数理理化天地地生，地地学就像像化学物物理学一一

3、样，是是一门自自然科学学，但是是地质学学所面对对的挑战战是不能能像化学学和物理理学那样样可以进进行实验验研究。首先我我们说大大自然的的科学原原理，大大自然是是受到永永恒的规规律所控控制的，那么地地质学的的数据来来自哪里里呢？他他主要是是来自野野外和室室内的观观察，包包括野外外的地质质图，岩岩石的类类型分布布和结构构，显微微镜下的的研究，那么在在室内研研究还有有非常重重要的一一部分，就是实实验研究究，包括括化学实实验地球球物理实实验和模模拟实验验，由于于地质学学家感兴兴趣的问问题呈现现出空间间规模变变化极大大，他可可以小到到纳米甚甚至原子子尺度，大呢，到全球球乃至宇宇宙，演演化历史史是漫长长的，

4、以以百万年年计，因因此对于于地质学学研究是是不能进进行控制制性实验验，只能能观察自自然界已已经发生生的自然然实验的的结果。在地质质学上有有一个重重要的假假说叫均均变论，那么这这是霍顿顿，历史史上非常常有名的的一个国国外地质质学家提提出的，就是UUnifformmitaariaanissm Thee ppressentt iis thee kkey too tthe Paast，现在是是过去的的钥匙。那么自自然规律律是不会会改变的的，然而而过程的的速率和和强度则则可以变变化。 在地质质学中有有一个非非常重要要的概念念就是时时间的概概念，也也就是地地质学和和其他自自然科学学最大的的差异就就是时间间

5、，这样样的时间间可能在在人类的的生命过过程中都都没有发发生过，所以地地质过程程的速率率每年是是微米或或者每年年是厘米米以这样样的速率率在发展展。我们们举一个个例子，大地震震可以使使地表在在几秒钟钟之内位位移几米米，但是是这种作作用呢，可能每每隔几百百年才出出现一次次，这就就是地质质学的时时间概念念。在时时间概念念方面，地质过过程的速速率几乎乎总是慢慢于人类类对环境境影响的的速率，那么我我们知道道常用的的时间SS单位是是秒，但但是在地地球科学学中使用用该单位位是非常常不方便便的，大大多数情情况下使使用年作作单位也也太小，地球学学家以百百万年作作为时间间的标准准单位，10个个Ma等等于100个百万

6、万年前，10个个my是是持续110个百百万年的的时间间间隔。这这一张图图表反映映的就是是一个地地质体，他的形形成可以以需要数数百万年年，那么么这是一一个陨石石坑，也也就是我我们所说说的天上上来客，他撞上上地表形形成了陨陨石坑，这些地地质体的的形成可可能只需需要几秒秒的时间间。 那么我我们人类类对我们们赖以生生存的星星球究竟竟了解了了多少呢呢？这一一张图是是地球的的地壳岩岩石圈和和软流圈圈的一个个剖面图图，我们们看在图图上，反反映了地地壳岩石石圈以及及他下部部的软流流圈，这这是目前前我们对对地质学学的认识识，就是是目前世世界全球球是由板板块所组组成的，这个图图上反映映是6大大板块，实际上上还可以

7、以把它细细分，实实际上有有20多多个板块块，包括括欧亚板板块、美美洲板块块、太平平洋板块块、印度度澳洲板板块、南南极洲板板块和非非洲板块块，这一一张图是是板块运运动的方方式，那那么目前前研究表表明地幔幔对流可可能是板板块运动动的驱动动机制，在大洋洋中脊热热的轻物物质上升升，冷的的重物质质下沉，就构成成了对流流环，上上升流处处形成大大洋扩张张脊，下下降流处处形成海海沟和俯俯冲带，软流圈圈顶部水水平向流流动的物物质拖曳曳了，刚刚性的岩岩石圈表表层随之之运动。这就是是板块构构造，大大陆漂移移板块构构造的一一些基本本的概念念。 那么对对于板块块边界有有三类，一类是是离散的的板块边边界，第第二得是是汇聚

8、的的板块边边界，第第三类呢呢，就是是走滑，我们有有时候也也叫转换换的板块块边界，这一张张图就是是三类板板块边界界的示意意图，在在大洋中中脊主要要是离散散的板块块边缘，在大洋洋和大陆陆发生碰碰撞有时时候俯冲冲带的地地方我们们说是汇汇聚的板板块边缘缘，那么么在大洋洋中还有有转换断断层的边边界，这这一张图图是大西西洋中脊脊，他是是一个典典型的离离散的板板块边缘缘，这一一张图表表示的是是由于横横跨在大大西洋中中脊上因因此冰岛岛正在被被拉开，这一张张图是美美国的圣圣安德列列斯断层层，那么么这一条条断层就就是我们们所说的的转换断断层，这这一张图图是典型型的板块块构造俯俯冲带和和大洋中中脊的一一个示意意剖面

9、，我们可可以看得得出来，在俯冲冲带的地地方是地地震的分分布带，那么板板块构造造理论可可以解释释什么呢呢，可以以解释我我们全球球地震和和火山的的分布，可以解解释洋壳壳的形成成年龄，可以解解释岩石石中的磁磁异常信信息以及及山脉的的年龄和和高程的的关系。特别是是对于全全球的地地震和火火山分布布基本上上都是分分布在我我们所说说的俯冲冲带，那那么板块块构造还还有一个个什么问问题呢，也就是是地幔中中的对流流元胞究究竟是怎怎么回事事？为什什么大陆陆地壳与与大洋地地壳如此此不同？这些问问题，还还有待与与今后深深入去认认识。 板块构构造最早早是以大大漂移的的观点提提出的，是在119122年德国国学者阿阿尔弗雷雷

10、德魏格纳纳，他是是一个气气象学家家，他首首先提出出了大陆陆漂移说说，但是是遭到了了当时大大多数地地质学家家的反对对，二次次大战后后新的数数据和事事实导致致在二十十世纪六六十年代代产生了了板块构构造革命命，现在在板块构构造学说说已经基基本为，全世界界每一位位地质学学家所接接受，也也就是今今天地质质学的教教科书的的内容与与四十年年前的已已经井然然不同，这是阿阿尔弗雷雷德魏格纳纳的照片片，他是是大陆漂漂移之父父，同时时又是板板块构造造的主父父。这是是两亿年年前的联联合古陆陆叫泛大大陆，当当时全球球的这些些六大板板块是汇汇成了一一个板块块叫联合合古陆，那么这这些呢，当时提提出大陆陆漂移非非常重要要的一

11、个个就是，非洲和和南美它它的这个个大陆的的形态是是具有可可拼性的的，另外外呢，从从古生物物学地质质学的其其他证据据都表明明非洲板板块和南南美板块块原来是是在一起起的，一一块板块块那么这这是今天天的，泛泛大陆的的裂解形形成了我我们今天天看到的的六大板板块的分分布格局局，板块块构造的的驱动力力是由地地幔对流流岩石圈圈底部的的摩擦将将能量从从软流圈圈传递到到岩石圈圈，那么么这样的的对流使使得软流流圈的物物质更新新了4到到6次 我们前前面谈到到的这些些就是人人类对我我们地球球的认识识，但是是实际上上人类对对地球内内部结构构和组成成的了解解更多的的是间接接的，主主要是通通过地球球物理模模拟实验验和与天天

12、体物质质进行对对比，所所以说我我们现在在我们的的神七又又要上天天了，但但是我们们入地还还很难，所以说说上天容容易，入入地难，这是一一个假想想的地球球剖面他他示意了了大陆地地壳，洋洋壳，莫莫霍面以以及岩石石圈和软软流圈的的位置，在这个个图的最最上面这这个小的的插图，C这一一张图上上，我们们看到地地球上最最深的矿矿井是南南美的一一个金矿矿，他的的深度是是3.88公里，那么他他的旁边边是世界界上最深深的超深深钻，就就是俄罗罗斯打的的超深钻钻深度是是12公公里，那那么这就就是我们们对于地地球的深深部的认认识，但但是实际际上地壳壳本身的的厚度，平均厚厚度在330公里里，我们们所认识识的地壳壳是非常常，在

13、地地壳里面面也就认认识到了了1/33的厚度度，其他他的我们们主要是是通过地地球物理理，比如如说地震震波，这这一张图图我们就就是根据据地震波波我们来来确定地地球的内内部结构构，那么么地震波波有两种种，我们们叫做体体波，当当然还有有一种面面波，那那么体波波又分为为压缩地地震波和和剪切地地震波，压缩地地震波又又叫主波波或者叫叫纵波，就是波波长与传传播方向向一致在在固体和和流体中中传播的的，那么么剪切地地震波又又叫做SS波又叫叫做次波波，又叫叫横波他他的波长长与传统统方向垂垂直，SS波只能能在固体体中传播播，那么么根据地地震体波波的就是是S波和和纵波的的反射折折射我们们可以确确定地球球内部物物质的密密

14、度和弹弹性的突突变。那那么这一一张图可可以看得得出来，这一个个P波，就是VVP和VVS他的的变化，在我们们地核的的外层圈圈，他是是一个液液体的，所以这这个S波波是不能能通过的的，是PP波通过过的，我我们也可可以看到到正是由由于地震震波确定定了它是是根据地地球物质质的密度度有关系系的，所所以说密密度和地地震波变变换曲线线是一致致的。 这一张张图也是是地震，我们地地球内部部的物质质密度的的一个变变化曲线线，那么么在牛顿顿时代根根据万有有引力定定律我们们已经算算出地球球的质量量是5.9744乘上110的221次方方吨，这这个大概概相当于于60万万亿亿吨吨，那么么由此我我们就可可以得到到地球的的平均密

15、密度，因因为我们们知道地地球的体体积，我我们就可可以得到到平均密密度是多多少呢，是每立立方厘米米5.5517克克，然而而我们现现在确定定的地表表岩石的的平均密密度只有有2.77到2.8柯，每立方方厘米，因此呢呢，断定定地球内内部物质质的密度度一定要要大于地地球的平平均密度度，根本本地震波波速向下下增大的的规律，可以计计算出固固体地球球不同深深度物质质的密度度，那么么这是一一个地球球内部的的一个结结构的一一个图解解，那么么分为岩岩石圈和和软流圈圈，那么么岩石圈圈包括了了地壳和和地幔的的上部，那么中中间呢，被莫霍霍面所分分割，这这是地壳壳和地幔幔的分界界。这一一张图是是地球内内部结构构的矿物物组成

16、的的模型，从地壳壳下部的的上地幔幔，他的的矿物是是由橄榄榄石、辉辉石和石石榴石组组成的，那么到到了上地地幔和下下地幔的的过渡带带他主要要是由尖尖晶石，镁铝榴榴石构成成的，到到了下地地幔他是是由后钙钙钛矿和和铁方镁镁石构成成的，那那么再往往下部就就是河幔幔边界，那么这这个河幔幔边界又又叫做地地撇撇层层，他是是在两千千六百公公里到两两千九百百公里这这个深度度，在两两千九百百公里深深度以下下就是液液体的铁铁的合金金这个地地核的外外核，那那么地核核的内核核就是固固体的，铁内核核，以铁铁为主的的内核，是从五五千一百百公里到到六千四四百公里里，这一一张图是是地球结结构的化化学组成成模型，那么我我们所说说的

17、，地地球的地地幔，他他主要是是由硅酸酸盐和氧氧化物组组成的，到了地地核的外外地核他他主要是是溶体的的，就是是铁，硫硫化亚铁铁和镍组组成，那那么内地地核就是是固体的的铁和镍镍组成的的，我们们说地球球和宇宙宙都是由由永恒运运动的物物质所构构成的，我们从从化学的的观点看看，他就就是由990种元元素和3354种种核素所所组成的的，地球球内部不不稳定的的核素自自发出衰衰变，释释放出能能量，提提供了物物质运动动主要能能源。于于是产生生了岩石石的熔融融，岩浆浆的侵入入，火山山的喷溢溢，构造造的变化化，地表表风化的的剥蚀和和沉积作作用等等等，这就就造成了了全球规规模的地地质作用用，持续续几十亿亿年的构构造变动

18、动不断的的改变着着地球的的外貌和和内部结结构，也也推动着着元素及及其同位位素的化化合、分分异、迁迁移和活活动。 地质作作用经久久不息，元素迁迁移演化化不止，地球科科学面对对的就是是一个经经历了几几十亿年年发展演演化，目目前仍处处于强烈烈变动中中的活的的一个地地球。那那么地球球作用不不停形成成了各种种宏观地地质体，同时造造成了地地质产物物中不同同的物质质组成以以及元素素及同位位素结合合的微观观现象。这些微微观和宏宏观现象象记录了了地球的的变迁历历史，地地球科学学任务就就是要准准确的判判读这一一宏伟的的自然史史卷。这这是一张张地质年年代表，这一张张年代表表从我们们最早的的太古代代一直到到第四纪纪，

19、那费费塔经历历了466亿年的的变化，那么分分为太古古代，元元古代，显生宙宙的古生生代到中中生代最最后到新新生代也也就是我我们所说说的包括括第四纪纪在内的的。 那么这这是美国国科罗拉拉多下峡峡谷南部部边缘，我们看看这个姑姑娘所坐坐的位置置实际上上是一个个很老的的时代的的地层是是在十七七亿年前前的一个个岩石，那么在在他和上上面的这这个沉积积的岩石石，呈现现了一个个我们叫叫做不整整合的一一个界面面，也就就是说在在17亿亿年到55.5亿亿年之间间是一个个沉积间间断，是是一个不不整合沉沉积间断断发生构构造变动动，那么么从5.5亿年年一直到到2.55亿年这这是科罗罗拉多大大峡谷形形成的是是从寒武武纪到二二

20、叠纪整整个三亿亿年间隔隔的整个个古层带带。那么么这一张张也是地地质历史史生物演演化的一一个图解解，我们们人类出出现在十十万年前前，这是是一个地地球地质质作用演演化的一一个图解解，主要要是一个个我们所所说的沉沉积岩的的一个演演化，从从最早的的他主要要是即性性的喷发发岩为主主，然后后随着时时代的推推移，逐逐渐的变变成陆向向喷发岩岩，变成成沉积的的杂砂岩岩，各种种砂岩各各种黏土土岩一直直到最后后出现蒸蒸发岩，应该呈呈现的就就是从物物质成分分上来讲讲，是从从简单到到复杂，从无序序到有序序这么一一个发展展演化的的过程。 这一张张图解是是俄罗斯斯的两为为学者，凯德洛洛夫和耶耶里马克克夫一张张图解，这个表表

21、示的是是整个自自然界物物质发展展的一个个图解，这个图图解反映映出物质质的从自自然界，整个自自然界从从星云阶阶段到行行星系到到地球和和他的表表面到形形成地壳壳生命人人类，整整个自然然体系是是越来越越复杂，物质的的特殊的的排列，从量子子正电子子，中子子，质子子，核子子，原子子，分子子到无机机碳到结结晶的和和胶体分分出两支支来，到到结晶矿矿物和有有机胶体体质点，那么这这个结晶晶矿物这这个无机机界最后后发展出出岩石最最后形成成矿床，那么有有机界就就出现蛋蛋白质、化合物物、细胞胞到动植植物到有有机质最最后出现现人类，这是两两个分支支，那么么我们说说有机界界最高的的复杂性性的就是是人类，那么在在无机界界里

22、最高高的无机机界就是是矿床，矿床实实际上是是一种有有用金属属的堆积积体，我我们说这这个金银银铜铁锡锡，他来来自哪里里呢他就就来自矿矿床。 这个就就是一个个宇宙地地质年代代，我们们用111年每单单位，那那么大致致在我们们现在不不太确定定的，1160亿亿年的时时候呢，这个发发生了宇宇宙大爆爆炸，形形成了银银河系，这个叫叫BIGG BBANGG，然后后在十亿亿到四十十五亿年年间行星星中核合合成形成成的元素素，形成成了各种种元素，在455亿466亿年前前形成了了我们的的太阳系系，然后后就进入入了地质质时代，那么人人类是在在第四纪纪才开始始出现的的，所以以我们如如果假设设地球的的历史是是一年的的话，人人

23、类出现现在第十十二个月月最后一一天的晚晚上十二二点，人人类我们们说是伟伟大的，但也是是渺小的的，这就就是新的的自然观观，你要要与大自自然和谐谐相处，我们国国家提出出的天人人合一的的观点。那么前前面是一一个概述述，我们们说什么么是地球球科学，那么从从地球化化学的角角度，也也就是我我们说从从化学的的观点来来看地球球的话，地球他他是一个个巨大的的化学机机器，也也可以叫叫他一个个地球化化学工厂厂，他的的驱动力力就是地地球内部部的热和和太的热热，这个个图解就就反映了了这么一一个循环环。 首先我我们看地地幔，首首先地幔幔他对流流以后，他的深深部物质质可以带带到大洋洋中脊，温度压压力降低低，组分分分离形形成

24、玄武武岩，这这些岩石石主要是是富含硅硅、钾、钙、钠钠、铝铁铁以及碱碱金属，这些元元素了，固结成成了洋壳壳，那么么这种大大洋板块块会离开开大洋中中脊在俯俯冲带向向下进入入地幔，又继续续产生化化学分离离，那么么形成了了流体或或者溶体体，我们们说向上上迁移因因为他密密度比较较低，这这样的话话就呈现现富二氧氧化硅的的花岗岩岩类固结结成了我我们所说说的陆壳壳。那么么地表的的岩石暴暴露于阳阳光下以以后，水水和空气气会浸透透岩石产产生水岩岩反映，就会发发生又一一次的化化学分离离，这个个时候二二氧化硅硅会集中中于型砂砂和水尺尺中，铝铝会进入入黏土矿矿物钙进进入辉岩岩，重金金属进入入矿石，这是又又一个化化学机器

25、器，我们们说地球球内部的的对流和和地表的的分化是是两部化化学机器器半独立立的运行行发生了了明显的的联系，当新地地幔的物物质被带带到并暴暴露在地地表，分分化沉积积物再次次被带到到地下进进入地幔幔对流，那么来来自两种种作用的的能量就就建立了了物质进进入岩石石圈，物物质的循循环。 地球的的两部化化学机器器他他是是充满物物理化学学问题的的，第一一个就是是地幔对对流，他他究竟怎怎么进行行？何时时产生？第二就就是地球球的分异异，上地地幔的玄玄武岩是是怎么从从橄榄岩岩中形成成的他又又如何形形成了花花岗岩，地球上上大面积积分布的的花岗岩岩是怎么么形成的的？水和和空气如如何侵蚀蚀了花岗岗岩中的的矿物？第三个个问

26、题就就是更深深层次的的，地幔幔对流和和分异的的最终结结果是什什么？地地壳从地地幔中分分离的过过程是怎怎么样的的？地壳壳物质通通过消减减作用回回到地幔幔它达到到了一种种平衡状状态了吗吗？地壳壳增长的的总量如如何？第第四个问问题就是是时间问问题，在在地质历历史中，地幔对对流分异异和消减减作用进进行了多多么长的的时间？他们最最初是在在何时何何地开始始的？是是怎么开开始的？第五个个问题就就是现实实主义的的问题，我们人人类在大大陆上建建立了家家园和文文明世纪纪，那么么上述过过程是如如何影响响着大陆陆地表，化学机机器是怎怎么将一一些岩石石中的金金属集中中成矿，又怎么么将另一一些岩石石中的烃烃类富集集为石油

27、油、天然然气和煤煤炭，随随着人口口增长和和对地球球物质利利用量的的增加，这个行行星的资资源还能能维持多多久，人人类活动动对地球球化学机机器产生生了怎样样的影响响？对人人类生存存环境产产生了怎怎样的影影响？这这些问题题地球化化学可以以进行回回答，下下面我们们就谈一一下什么么是地球球化学。 地球是是一个极极其复杂杂的物质质体系，地球科科学具有有众多的的分支学学科，他他们是分分别从不不同侧面面认识地地球的过过去和现现在，地地球化学学着重是是从地球球的化学学组成化化学作用用和化学学演化，也就是是物质的的化学运运动形式式方面来来研究地地球，地地球化学学英文叫叫geoocheemisstryy ，“geo

28、ologgy”是我们们所说地地质学的的词头，“cheemisstryy”就是我我们知道道，大家家都清楚楚的化学学，所以以说这个个词最初初是瑞士士化学家家Schhonbbeinn于18838年年提出的的，从词词源学上上讲，地地球化学学就是地地质学和和化学的的联姻那那么地球球化学就就是用化化学的原原理和方方法技术术来解决决地球科科学问题题，也就就是可以以这样认认识，是是从化学学的角度度来理解解地球和和地球的的演化。这一张张图解就就反映了了我们所所说的几几门基础础科自然然科学化化学、地地球科学学和物理理学之间间，化学学合地球球科学他他们之间间的融合合就形成成了地球球化学，地球科科学就是是我们传传统的

29、地地质学，地球和和物理学学的结合合就形成成了地球球物理学学，那么么这三门门学科分分别对应应的就是是地球化化学主要要研究地地球的物物质科学学，就是是地球物物质科学学，地质质学它涉涉及的主主要是历历史地质质学，而而地球物物理呢，主要系系物理地地质学，所以地地球化学学就是研研究地球球以及有有关宇宙宙体的化化学组成成化学作作用和化化学演化化的科学学，我们们举一个个例子，就是现现在我们们研究月月球，我我们现在在不能说说，现在在我们叫叫月球化化学，我我们还叫叫地球化化学，就就是地球球化学他他是研究究地球及及有关宇宇宙体的的化学组组成、化化学作用用和化学学演化的的科学。地球化化学是研研究地球球物质组组成的基

30、基础科学学，地球球化学有有四个目目的，第第一个是是认识元元素，在在地球和和太阳系系中的分分布规律律，第二二个是探探索地球球和宇宙宙化学组组成形成成的原因因，为什什么是这这样，而而不是那那样，第第三是研研究地球球表面地地球内部部以及太太阳系发发生的化化学反应应，第四四个综合合上述建建立地球球化学的的循环，认识这这些循环环在过去去地质时时代是怎怎么起作作用，将将来又可可能如何何变化。所以地地球化学学研究的的基本问问题是四四个，第第一个就就是研究究地球系系统中元元素和同同位素的的组成，包括元元素及其其同位素素的含量量在空间间时间及及不同产产状地质质体中的的变化，也就是是元素中中的平均均含量，我们叫叫

31、丰度和和分布分分配问题题。 这是地地球化学学的我们们称作叫叫地球化化学之父父，Gooldsschmmidtt他的一一段话，那么地地球化学学的主要要目的是是什么呢呢，就是是定量的的确定地地球和它它的其他他部分的的组成以以及发现现控制元元素分布布的规律律，这个个Golldscchmiidt我我们先简简单介绍绍一下，他19911年年毕业于于挪威奥奥斯陆大大学，他他毕业时时候做的的博士论论文对地地球化学学基础理理论的贡贡献，他他研究了了地球化化学的各各个方面面，包括括接触变变子现象象的物理理化学解解释以及及化学元元素的分分布等问问题，他他在德国国哥廷根根大学建建立了第第一个地地球化学学研究所所，他的的

32、主要贡贡献就是是提出了了晶体化化学第一一定律，运用原原子和离离子半径径以及极极化效应应成功的的阐明了了元素公公生组合合和类质质同像，提出了了元素的的地球化化学分类类。他去去世后部部分成果果由AMuiir编辑辑成了地地球化学学，这是是地球化化学的经经典著作作，因此此Golldscchmiidt被被尊称为为地球化化学之父父。 这一张张图解就就是反映映出我们们要研究究元素在在地球及及其各层层圈，包包括地壳壳、地幔幔、地核核中的平平均含量量也就是是丰度问问题，那那么这个个分布和和分配是是指什么么呢，比比如说一一个元素素，他在在橄榄岩岩玄武岩岩是怎么么分配的的，在辉辉石，斜斜长石之之间是如如何分配配的，

33、这这是一个个分配问问题。第第二个，研究元元素的共共生组合合和赋存存形式，元素在在地球中中他不是是单个元元素存在在的，他他是成为为化合物物存在的的，那么么更形象象的讲就就是成为为矿物存存在的，所以元元素的赋赋存形式式又叫做做存在形形式，赋赋存状态态，就是是指元素素在地质质体中以以什么形形式存在在，比如如说化合合物形成成，氧化化物，硫硫化物，硅酸盐盐，碳酸酸盐等等等，另外外呢，还还可以成成类质同同象混入入物，机机械混入入物，包包裹体吸吸附物等等等，由由于这个个元素的的结合形形态是地地质作用用物理化化学条件件的指示示剂，因因此元素素的存在在形式他他具有成成因意义义。 第三个个我们要要研究元元素的迁迁

34、移，元元素的地地球化学学迁移是是指什么么呢，是是指元素素的重新新组合伴伴随着元元素在空空间上的的位移，或者一一个元素素在一个个系统不不同子系系统之间间的集中中或者分分散的就就叫元素素的地球球化学迁迁移。那那么元素素的地球球化学迁迁移是地地球化学学研究的的核心问问题，举举一个例例子我们们说矿床床的形成成就是成成矿元素素集中的的结果。第四个个研究元元素迁移移的历史史以及地地球的演演化，我我们说地地球的演演化历史史是一个个漫长的的时间序序列，元元素和同同位素的的迁移寓寓于这种种演化过过程中的的地质作作用之中中，并且且被保存存下来，通过微微量元素素或者同同位素我我们可以以揭示这这种演化化历史，这就叫叫

35、做微量量元素或或者同位位素的示示踪，这这些元素素合乎同同位素就就被称为为示踪剂剂，比如如说我们们前面提提到的板板块构造造与大洋洋中脊的的扩张，我们可可以进行行同位素素定年来来确定大大洋中脊脊扩展的的时间。地球化化学的研研究思路路是什么么呢？有有四个字字可以概概括，就就叫见微微知著，就是自自然地质质作用除除形成宏宏观地质质体外，他还造造成了大大量肉眼眼难以辨辨认的常常量、微微量元素素和同位位素成分分的变化化，以及及它们之之间相互互结合和和赋存状状态的微微观踪迹迹，这些些微观踪踪迹包含含着重要要的地质质作用信信息，我我们应用用现代分分析测试试手段进进行观察察研究，就可以以深入揭揭示地质质事件的的奥

36、秘。 这一张张图反映映出地球球化学所所处的位位置，地地球化学学是化学学和地质质学的结结合，所所以说化化学的基基础理论论是地球球化学的的基础理理论，包包括化学学物理化化学量子子化学结结构化学学等等，那么另另一个分分支就是是地质学学，那么么地球化化学又是是我们在在地质学学中研究究地球物物质科学学的像矿矿物学，岩石学学，矿床床学的基基础学科科，这是是地球化化学按照照不同观观点对地地球化学学进行了了分类。那么地地球化学学呢，也也可以把把它分成成若干个个分支，这个我我们现在在给大家家展示的的这个图图解是六六个分支支，实际际上还可可以分得得更细，有不同同的研究究对象，有不同同的研究究内容，可以把把它分得得

37、更细，分为晶晶体化学学，低温温地球化化学，高高温地球球化学，宇宙地地球化学学，有机机地球化化学和同同位素地地球化学学，这是是意大利利的一个个地球化化学家，Otttoneelloo说的一一段话，地球化化学是一一门令人人着迷的的一个学学科，他他为什么么着迷呢呢，就在在于它处处在我们们所说的的精确科科学，什什么是精精确科学学呢，化化学物理理学和数数学和自自然科学学之间的的一个过过渡位置置，这是是地球化化学所处处的位置置，为什什么令人人着迷就就在此。地球化化学的研研究对象象主要是是地球和和太阳系系或者是是我们宇宇宙中的的元素，那么刚刚才谈到到的低温温地球化化学，高高温地球球化学实实际上又又可以称称为所

38、谓谓软岩地地球化学学，硬岩岩地球化化学，地地球化学学的研究究内容有有四个部部分。 我们可可以简单单这样分分析，他他是地球球化学原原理，地地球化学学的作用用，地球球化学的的研究方方法以及及地球化化学的应应用。原原理呢，涉及到到原子的的电子结结构，周周期表以以及原子子量，化化学键，离子半半径，晶晶体，晶晶体中的的离子替替代，地地球化学学热力学学，反映映速率和和质量迁迁移以及及表面化化学，地地球化学学作用包包括沉积积和陈岩岩作用，电子作作用分化化和土壤壤形成以以及岩浆浆的结晶晶作用，矿床的的形成作作用。地地球化学学研究方方法是地地球化学学对地质质学的独独特的贡贡献，包包括两个个方面的的内容，就是微微

39、迹元素素地球化化学和同同位素地地球化学学，地球球化学的的应用可可以在化化学分化化作用，矿床的的化学分分化作用用，地球球化学的的循环，大气圈圈的化学学，环球球地球化化学等等等方面，等等领领域。 这个地地方是二二十一世世纪地球球化学十十大挑战战这是美美国国家家科学研研究理事事会，220088年3月月12号号公布的的一份最最新的报报告，确确定了推推动地质质学和行行星科学学需优先先解答的的十个问问题。那那么加州州大学伯伯克利分分校地球球化学教教授，起起草报告告的委员员会主席席唐纳德德德帕罗罗表示，在过去去二十年年间各个个方面均均取得了了不小的的进步，我们现现在可以以通过微微观和宏宏观的角角度给地地球勾

40、画画一幅更更为美好好的蓝图图，为使使这些领领域继续续前进，应回顾顾历史，提出更更为深刻刻的根本本问题，比如地地球和生生命的起起源，行行星结构构和动力力学，生生命和气气侯的联联系等等等。报告告是在美美国能源源部，国国家科学学基金会会，美国国地质勘勘测局和和美国宇宇航局的的联合要要求下起起草的，起草委委员会挑挑选了各各种问题题覆盖了了各种各各样的空空间尺度度原子到到行星和和时间尺尺度，过过去到现现在和将将来，那那么委员员会对地地质学界界进行了了广泛调调查最后后精选出出的十个个问题。 第一，地球和和其他行行星来自自哪里？第二地地球的黑黑暗时代代，他是是指地球球诞生后后最初的的五亿年年究竟发发生了什什

41、么事情情？第三三生命是是如何开开始的？第四地地球内部部如何运运转及其其对地表表的影响响？第五五、为何何地球拥拥有板块块构造和和大陆？第六、地球进进程如何何受物质质特性的的制约？第七、什么原原因引起起了气侯侯的变化化，气侯侯变化的的幅度到到底有多多大？第第八、生生命如何何改变地地球，地地球又是是如何改改变生命命？第九九、人类类能够预预测地震震火山喷喷发及其其后果吗吗？第十十、流体体流动和和输送如如何影响响着人类类的环境境。二十十一世纪纪地球化化学的十十大挑战战，这些些问题的的最终解解决都离离不开地地球化学学。地球化学学（二） 张德会会：下面面我们讲讲第二个个问题，就是元元素的地地球化学学分类，1

42、9223年国国际原子子量委员员会决定定化学元元素就是是指具有有相同核核电荷的的同一类类原子。这是我我们大家家都很熟熟悉的周周期表，周期表表已经对对元素进进行了分分类，但但是仅用用周期表表的元素素分类对对于地质质学和地地球化学学家来说说还不够够，我们们先看一一看自然然物理化化学体系系及其形形成物的的特征。地球化化学我们们说是研研究自然然化学作作用和元元素在自自然体系系中迁移移演化规规律的科科学，那那么自然然条件下下，元素素间相互互作用与与认为控控制的化化学反应应是有很很大不同同的，地地壳和地地球范围围内的自自然作用用体系有有以下主主要特点点。第一一，温度度压力变变化幅度度与人为为制备条条件相比比

43、是有限限的，从从地表到到地核温温度可以以从零下下80度度到45500摄摄氏度，压力从从0.00N到336万MMpa，地壳和和上地幔幔温度变变化幅度度也是零零下800度到118000摄氏度度，压力力是0.0n到到一万个个mpaa也就是是相当于于十万个个大气压压，而现现在试验验设备，人工他他可以制制备的温温度极限限是从接接近绝对对零度到到超高温温就是55乘100的4次次方摄氏氏度就等等离子火火焰的温温度，以以致1000M度度这就是是聚合反反应的温温度，压压力由真真空到11.210的的11次次方的PPa，112万的的Pa，那么自自然体系系与实验验体系温温压条件件变化幅幅度是差差异很大大的，那那这一张

44、张图解是是一张地地壳中的的一些地地质作用用的温度度压力的的范围，我们看看一下我我们常见见的地表表的分化化沉积，他基本本上是一一种常温温低压，然后第第二种情情况就是是，第二二个环境境就是成成岩的环环境，那那么温度度可以上上升到将将近3000摄氏氏度，压压力到两两个千PPa，然然后温度度再升高高，但是是压力变变化不大大了，我我们叫接接触变质质作用这这就是低低压高温温的地质质过程，那么温温度再升升高的就就是我们们所说的的火山作作用，当当然火山山作用的的压力他他是地表表的压力力，但是是温度可可以高达达30000度，岩浆作作用处在在高压高高温的范范围内，然后呢呢，是区区域变质质，区域域变质是是高压但但是

45、温度度是中等等的温度度，那么么还有一一个区间间就是高高压变质质我们所所说的这这个蓝片片岩相，地质学学中叫蓝蓝片岩相相变质作作用，也也就是我我们刚才才谈到的的，前面面谈到的的板块构构造俯冲冲带他形形成的温温压条件件就是这这样的条条件，压压力很大大，但是是温度不不是很高高，就是是高压低低温条件件。这一一张图解解反映了了地壳中中的一些些地温气气度，我我们看一一看，迅迅速沉降降的俯冲冲带就是是体现出出它的压压力很大大，但是是温度上上升不大大，而接接触变质质作用的的特点是是正好相相反，他他是温度度上升非非常快，但是压压力变换换不大，那么这这里面反反映的是是变质下下面的一一些特点点，这是是第一个个特征。

46、第二个个特征就就是多相相多组分分的复杂杂体系，自然体体系中成成多相存存在，我我们所说说的固相相、液相相、气相相另外还还有一些些过渡相相，这是是第一个个，第二二个他是是大量化化学组分分共存的的，而浓浓度却相相差悬殊殊，我们们可以这这样说，任何一一个地质质作用都都可以看看成是由由九十种种元素和和3544种核素素参加的的体系，元素以以各自的的丰度决决定的量量比来参参加化学学反映，这跟我我们人工工的实验验室以高高纯试剂剂，有限限组分按按照理论论量比设设计的化化学反应应是有很很大差别别的。那那么在体体制体系系中我们们所说的的岩石矿矿物土壤壤水体，那么俄俄罗斯的的学者提提出过一一个观点点，一个个定律，叫元

47、素素无处不不有定律律，也叫叫做克拉拉克维尔尔纳茨基基定律，这个定定律指出出地面上上每一点点滴或者者每一微微粒的物物质无一一不是宇宇宙总成成分的反反映，也也就是在在这些岩岩石土壤壤水体等等等中包包括气体体中我们们说，所所有的元元素在周周期表上上的，除除了这个个人工的的那些放放射性元元素以外外，所有有的元素素90种种元素还还有3000多种种的同位位素你都都可以测测出来，只要你你测试水水平足够够高，那那么岩石石或者水水中可以以测到任任何一种种元素的的含量，所以说说这个定定律又叫叫元素无无处不有有定律。 第三个个就是开开放式体体系，这这是地球球化学体体系中非非常重要要的一个个特点，就是自自然过程程他的

48、体体系与环环境是有有充分的的能量和和物质交交换的，大不断断的改变变着系统统内的作作用的性性质和条条件，我我们在实实验室把把这个碳碳酸钙放放在盐酸酸中发生生化学反反应，发发生分解解反映以以后会影影响二氧氧化碳，在实验验室我们们可以让让二氧化化碳不能能逃逸的的方式进进行这个个实验，反映达达到平衡衡的时候候就会有有过量的的二氧化化碳与氯氯化氢盐盐酸共存存，但是是自然条条件下不不是这样样的，二二氧化碳碳他是可可以逃逸逸的，那那么二氧氧化碳的的逃逸就就使得反反映不能能达到平平衡，反反映会持持续的向向前进方方向进行行，那非非自然界界就会形形成大规规模的夕夕卡岩及及其矿床床，我们们这一张张图解就就是这样样的，实实际上这这个作用用就是我我们所说说的夕卡卡岩化或或者叫接接触变质质作用，就是一一个花岗岗岩成分分的岩浆浆侵入到到辉岩地地层中那那么就会会形成在在大理岩岩和花岗岗岩的接接触带上上形成夕夕卡岩，这个反反映