地球化学全册配套完整教学课件.ppt

1、地球化学 Geochemistry 地球化学全册配套完整教学课件 考核方式考核方式 平时成绩(30):出勤+课堂纪律+ 课堂提问 作业 特别提醒：作业延迟特别提醒：作业延迟一周一周交，交，成绩减半成绩减半； 延迟延迟一周以上拒收一周以上拒收。 期末考试(70):笔试(闭卷) 一、主要内容 第一章：绪论 第二章：太阳系的元素丰度和元素起 源 第三章：地球的化学组成 第四章：元素的晶体化学性质与元素 结合规律 第五章：微量元素地球化学 第六章：同位素地球化学 二、教材和主要参考书二、教材和主要参考书 教材： 张宏飞，高山. 地球化学.北京：地质出版社. 2012 韩吟文，马振东地球化学北京：地质出

2、版社2003 主要参考书： Geochemistry电子版. White, W. M. 美国康奈尔大学, 2001. 地球化学陈道公等合肥:中国科技大学出版社 1994 Isotope Geology. Claude. J. A. 剑桥大学出版社. 2008 微量元素地球化学原理，赵振华著. 北京. 科学出版社， 1997 稀土元素地球化学. P.亨德森编.田丰， 施烺 等译.路凤香，鄂莫岚等校. 北京. 地质出版社， 1984 同位素地质学原理. G.福尔著. 潘曙兰，乔广 生译. 李继亮 校. 北京. 科学出版社.1983 岩石地球化学. Hugh R. Rollison著.杨学明， 杨晓

3、勇，陈双喜译. 合肥. 中国科学技术大学出版 社. 2000 地球化学网站和地球化学网站和Google网站网站 声明 课件所涉及的资料，目的是为学生 提供相关信息之用，无任何商业用 途。 课件中部分图件没有给出出处，请 勿转载或引用，如要引用，请查阅 原文！没有给出出处的图件，在此 对原作者深表感谢！ 第一章 绪 论 一、 地球化学的定义 二、地球化学研究的基本问题 三、地球化学学科特点 四、地球化学与其他学科的关系 五、地球化学的研究思路和研究方法 六、地球化学研究方法的特点 七、地球化学发展简史 八、地球化学的发展趋势 地球科学与地球化学： 地球科学简称地学，是数学、物理学、化学、 天文学

4、、地学、生物学(数理化天地生）六大基 础自然科学之一。 现代地球科学有三门基本学科：地质学、地球 物理学和地球化学。 地球化学与地质学、地球物理及大地测量一 起，组成固体地球科学的四个大支柱。 一、地球化学的定义 地球化学(Geochemistry)：地质学(Geology)+化 学(Chemitry)类学科相结合产生的一门边缘学科。 化学化学和和地质学地质学在在地球化学地球化学中是怎么结合的？它中是怎么结合的？它 们之间的关系如何？们之间的关系如何？ 在在地球化学地球化学中，我们用中，我们用化学化学作为技术手段，作为技术手段， 来解决来解决地质地质问题。也就是说，我们用化学来探问题。也就是说

5、，我们用化学来探 索、研究、理解地球以及地球的演化。索、研究、理解地球以及地球的演化。地球化地球化 学学本质上隶属于本质上隶属于地球科学地球科学。 1.地球化学定义 1838年瑞士化学家许拜因第一次提出了“地 球化学”这个名词。 “一定要有了地球化学，才能有真正的地质科 学” 许拜因 B.H.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。 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

6、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 控制各种元素分配的规律。 美国全国地球化学委员会地球化学 发展方向委员会(1973):(以美国科学院 的名义） 地球化学是关于地球(Earth, the globe)和 太阳系(solar system)的化学成分及化学演化 的一门科学，它包括了与它有关的一切科 学的化学方面。 地球化学包括组成太阳系的宇宙尘埃化 学；地

7、球、月球和行星化学；地壳、地幔 和地核化学；岩石循环化学；海洋与大气 的化学演化；岩石中有机质的化学。 涂光炽（1985）： 地球化学是研究地球（包括部分天体 celestial bodies）的化学组成(chemical composition，chemical constitution)、化 学作用（chemical action, chemical process）和化学演化（chemical evolution)的科学。 推荐该定义 思考：从地球化学定义的演化，你能想到什么？ 对定义的理解 研究对象:地球及其子系统（地壳、地幔）及 其自然作用体系（岩浆作用、沉积作用、变 质作用、成矿作

8、用、表生作用、生态环境 ），目前正在向宇宙天体拓展。 对定义的理解 研究形式：主要是元素及同位素在自然界的 化学运动形式。 研究时间：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。 二、地球化学研究的基本问题 概括起来有以下几个基本问题： 第一: 元素（同位素）在地球及各子系统中 的组成 第二: 元素的共生组合和存在形式 第三: 研究元素的迁移 第四: 研究元素（同位素）的行为 第五: 元素的地球化学演化 第一: 元素（同位素）在地球及各子 系统中的组成 简而言之：为“量”的研究。也就是元 素（同位素）的含量及含量

9、在空间、时间 及不同地质产状地质体中的变化。 这一问题是地球化学研究的出发点和 基础资料； 第二: 元素的共生组合和存在形式 在化学课本中了解到原子是构成自然物质的具 有独立性质的最小单位，各种原子构成了客观的地 质体。 地质内部的各种原子的结合和存在形式不是任 意的、静态的，而是有条件的、变化的。它们受地 质作用物理化学状态的控制，是随着地质历史的变 动而变化的。 因此，元素的共生组合和存在形式是地质作用 物理化学条件及变动历史的指示剂。 简而言之为“质”的研究。 第三: 研究元素的迁移 简而言之是“动”的研究，也就是元素在自然作 用体系中的含量和存在形式在时间、空间上的变化。 例如：元素从

10、矿源层中活化迁移到沉淀成矿例如：元素从矿源层中活化迁移到沉淀成矿 （右图）（右图） 某金属元素（某金属元素（Cu）呈分散状态赋存于矿）呈分散状态赋存于矿 物颗粒表面。该元素含量较高，形成矿源层物颗粒表面。该元素含量较高，形成矿源层 ； 某个时期，其深部发生了某地质作用，某个时期，其深部发生了某地质作用， 沿裂隙发生了热液活动，矿源层裂隙两侧物沿裂隙发生了热液活动，矿源层裂隙两侧物 理化学状态发生了改变，矿源层中的元素被理化学状态发生了改变，矿源层中的元素被 萃取至流体中迁移；萃取至流体中迁移； 热液迁移至上部由于物理化学条件的变热液迁移至上部由于物理化学条件的变 化（岩石渗透率、化（岩石渗透率

11、、pH)，流体中元素又，流体中元素又 以新的结合方式沉淀下来。以新的结合方式沉淀下来。 第四: 研究元素（同位素）的行为 指的是元素（同位素）在自然界所发 生的各种地质作用中的行为。 通过行为的研究可以揭示地质体成因 机制。 第五: 元素的地球化学演化 宇宙、天体是怎样形成、演化的？地球是如何形成、发 展的？生命是如何起源的？由C、H、O、N等主要元素构成 的人类又是如何产生的？元素又是如何合成的？ 以往，地球科学家对这些基础理论问题的认识往往依靠传 统的方法，大量研究表明：要更一步认识这样一些复杂的问 题，必须依靠更深层次上事件所保留的踪迹，地球化学中的 元素（微量、常量元素）、同位素成分及

12、赋存形上的变化是 较为理想的事件的指示剂。因为它们在自然界的某些特征有 可能越过后期叠加作用而被保留下来，甚至宏观的地质体消 失了，也不会影响某些微量元素、同位素记录的保存。 例如：白垩纪末期（例如：白垩纪末期（6500万年前）巨大的陆万年前）巨大的陆 生恐龙和大量的海洋浮游生物在短期内突然生恐龙和大量的海洋浮游生物在短期内突然 灭绝！是什么原因呢？灭绝！是什么原因呢？ 地球化学工作者从地球化学工作者从E/K 界面上界面上1cm厚粘土中测出厚粘土中测出Ir 元素突然增加了元素突然增加了20 倍。倍。 当时保存下来化石的氧当时保存下来化石的氧 同位素成分测定其海水温同位素成分测定其海水温 度突然

13、上升，最高可达度突然上升，最高可达 10 。 事件的宏观地质体很难事件的宏观地质体很难 寻找到了，但事件的微观寻找到了，但事件的微观 踪迹（微量元素、同位素踪迹（微量元素、同位素 ）却记录下来了。）却记录下来了。 恐龙时代 是什么原因造成这一生物大灭绝事件呢？是什么原因造成这一生物大灭绝事件呢？ 对这一事件产生原因众说纷纭，但有种假设得到了较多学对这一事件产生原因众说纷纭，但有种假设得到了较多学 者的认同。者的认同。 在在6500万年前的某一天，一颗直径约为万年前的某一天，一颗直径约为10公里的小行星，从公里的小行星，从 太空飞速地与地球相撞，巨大的冲击力，使小行星击穿地壳太空飞速地与地球相撞

14、，巨大的冲击力，使小行星击穿地壳30 公里的厚度，达到地幔，由于高温高压，岩石瞬间熔化，水蒸公里的厚度，达到地幔，由于高温高压，岩石瞬间熔化，水蒸 气、二氧化硫所的产生的大量云雾、尘埃、烟雾直冲大气圈，气、二氧化硫所的产生的大量云雾、尘埃、烟雾直冲大气圈， 形成的浓雾遮住了阳光，使全球气温剧烈降低，大面积、高浓形成的浓雾遮住了阳光，使全球气温剧烈降低，大面积、高浓 度的酸雨，使植物不能进行光合作用，导致生物的严重破坏，度的酸雨，使植物不能进行光合作用，导致生物的严重破坏， 食草动物、食肉动物饿死的饿死，冻死的冻死。这一灾难致使食草动物、食肉动物饿死的饿死，冻死的冻死。这一灾难致使 称霸地球称霸

15、地球1亿多年的恐龙灭绝了；海洋生物也遭受了巨大的灾难亿多年的恐龙灭绝了；海洋生物也遭受了巨大的灾难 。根据推测这种“撞击冬天”持续了几年到几十年。如果“灾。根据推测这种“撞击冬天”持续了几年到几十年。如果“灾 变论”这一假设成立，将对达尔文的进化论、渐变论提出严重变论”这一假设成立，将对达尔文的进化论、渐变论提出严重 挑战。挑战。 E/K界面上铱等元素的地球化学异常是这一“灾变事件”的界面上铱等元素的地球化学异常是这一“灾变事件”的 理想示踪剂理想示踪剂 三、地球化学学科特点 （1）研究的主要物质系统：地球、地 壳等及地质作用。并逐渐向地球深部 （地幔、地核）和宇宙空间发展。 针对自然作用过程

16、提出问题，应针对自然作用过程提出问题，应 用地球化学理论和方法进行研究，最用地球化学理论和方法进行研究，最 后得出对自然作用化学机制的认识。后得出对自然作用化学机制的认识。 三、地球化学学科特点 （2）着重研究物质的化学运动规律。 岩浆形成深度和温度？各类变质岩 的形成深度和压力？沉积物是否进入 地幔？金属矿床和石油的形成环境和 条件？等等 只有地球化学或者地球化学可以 更好地对这些问题进行回答。 三、地球化学学科特点 （3）理论性与应用性 理论性： 从化学角度查明过程、原因。以化学类科 学、物理学、数学等为理论基础。 应用性： 矿产资源勘探、开发 资源利用、农田、畜牧、环境保护等问题。 三、

17、地球化学学科特点 （4）与有关学科密切结合和相互渗透 分支学科： 海洋学海洋地球化学 生物学生物地球化学 环境科学环境地球化学 岩石学、矿物学、矿床学成岩成矿地球化学 化学（同位素）同位素地球化学 三、地球化学学科特点 （5）是年轻的发展中的科学。 20世纪初诞生，至今100年的历史。 通过地球化学研究，我们知道了: 地质事件的时间； 岩浆房的形成温度和压力； 认识了地幔柱； 沉积物可以俯冲到地幔中； 造山带的形成规模和形成速度； 地球是什么时候形成，怎么形成的； 地球大气层的形成和演化； 冰期的温度和形成原因； 四、地球化学与其他学科的关系 （1）地球化学是地质学和化学相结合的一门边缘学 科

18、； （2）研究地壳物质成分的矿物学、岩石学、矿床学 等是地球化学的物质基础，目前正在向土壤、生物、环 境方向拓展； （3）化学类的基础学科（物理化学、化学热力学、 化学动力学、解析化学、量子化学等）是地球化学的理 论基础； （4）目前地球化学研究的范围主要是岩石圈、水圈 、生物圈和大气圈，并向深部（地幔、地核）及空间（ 宇宙天体）发展。 地球化学与研究地球物质成分的矿物、岩石、地球化学与研究地球物质成分的矿物、岩石、 矿床学和化学的关系：矿床学和化学的关系： 地球化学 矿物学 岩石学 矿床学 化学 研究对象 全部化学元素与 同位素 原子的集 合体矿 物 矿物的集 合体岩 石 有用矿物 的集合体

19、 矿石、 矿床 元素及化 合物 研究内容 元素在地球、地 壳中演化活动的 整个历史 只研究元素全部活动历史过程中的 某个阶段，元素活动的某个“暂时” 存在的形式 元素及化 合物的化 学性质及 行为 研究对象所 处的空间位 置 地球、地壳 地球、地壳 实验室 从表中可以看出： 地球化学是研究元素在地球、地壳中演化活 动的整个历史，而矿物、岩石、矿床等学科 仅研究元素全部活动历史中的某个阶段； 一个是在自然界，又具有空间上条件的不均 匀性，时间上单向演化和阶段性，体系的多 组分，多变度及总体的开放性。 化学主要是在实验室中，它是人为控制的体 系，可任意调节T、P、pH、Eh、C和纯化杂 质。 五、

20、地球化学研究思路和研究方法 研究思路： 那就是在地质作用过程中形成宏观地质体的同时，还 形成大量肉眼难以辨别的常量元素、微量元素及同位素 成分的组合的微观踪迹，它们包含着重要的定性和定量 的地质作用信息，只要应用现代分析测试手段观察这些 微观踪迹以及宏观的地球化学现象，便可深入地揭示地 质作用的奥秘。 概括一句话那就是“见微而知著”。通过观察原子之 微，以求认识地球和地质作用之著。 地球化学的基本工作方法： 先野外，后室内 1.野外工作方法 2.室内研究方法 五、地球化学研究思路和研究方法 1.野外工作方法 (1).现场宏观观察 野外观察地质调研是地球化学工作的基础，是 地球化学研究工作必不可

21、少的重要环节，可以这 样形容两者的关系：“皮之不存，毛将焉附”， 皮都没有了，毛在哪里长呢？例如查明地质体的 时空结构，将为地球化学作用的空间展布和时间 顺序提供依据。 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， 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。 1.野外工作方法 (2)地球化学取样 代表性 系统性 (空间、时间、成因) 统计性（样品数量）. 代表性:代表某一地质作用的产物；代表某 一成因的、某种产状的地质体；样品尽量 避免后期作用的叠加等。如花岗岩样品代 表岩浆作用，灰岩样品代表沉积作用，矽 卡岩和大理岩样品代表热接触变质作用. 系统性

22、：为了从比较中说明问题，对研究对 象在空间上、时间上、不同成因上的样品 应构成一个系列。例如研究矿化特征，应 控制采集矿体、矿化、背景段的样品；有 如环境污染研究，对污染源、污染区、背 景区的样品进行系统采集。 统计性：地球化学现象同其它地质现象一样 具有统计性规律，要定量地描述地球化学 规律必须用数理统计的方法，因为一两个 样品难以有代表意义，必须由一组样品构 成，一组样品的数量根据研究对象复杂程 度规模大小及测试方法的难易程度而定。 2.室内工作方法 ICP-MS 等离子体光-质谱仪 （1 1）精确灵敏的测试方法）精确灵敏的测试方法 JXA-8100 电子探针电子探针 （2）研究元素的结合

23、形式和赋存状态。 地质现象地质现象 1.某地的炭质页岩 2.其中又具有微细层 理草莓状黄铁矿 3.黄铁矿单矿物中Pb 元素含量154010-6 Pb以什么样的形式 赋存在黄铁矿中？ 1.肉眼使无法观察的，就是 在高倍的反光显微镜下也无 能为力； 2.电子显微镜（2200）下 ，发现了与黄铁矿反射率有 别的乳滴状微粒；（右图上 ） 3.电子探针进行能谱分析， 用Pb的能谱摄制的散射成分 图获得了与电子显微镜下相 似的形态；（右图下） 4.分析黄铁矿中高含量Pb是 乳滴状方铅矿引起的。 （3）地球化学作用过程物理化学条件的测定 和计算，包括测定和计算两大类。 如包裹体测温、测压、测成分，又有微 量

24、元素温度计、矿物温度计、同位素温度 计等测定和计算相结合的方法； 对体系的pH、fO2、盐度、离子强度、矿 质浓度等参数进行估算；另外还可进行自 然作用时间参数的测定，如同位素年代学 。 （4）模拟地球化学过程，进行模拟实验。 这种方法在实验室条件下，使某些地球化学过程再现，以深 入了解成岩成矿作用机制或检验某些理论推断，这里包括高温 高压体系的专门设备的实验技术以及大量常温常压下的实验研 究（温度可以达到3000，超高压可达1.3兆巴，相当于200km 深处地壳压力）。 （5）测试数据的多元统计处理和计算计算地球化 学。 多元统计理论和电子计算机技术在地球化学研究的应用，大 大提高了资料整理

25、的科学性、数据的利用率和计算工作效率； 同时数学理论和方法的应用对深入揭示地球化学规律、科学地 描述地球化学现象起到了推动作用，使之地球化学过程数字模 拟化。从以上的介绍中我们可以看出，地球化学的研究方法是 综合的、多样的，它的涉及面很广，而且发展也日新月异。 在取得上述各种实际资料的在取得上述各种实际资料的 数据后，研究就进入了数据后，研究就进入了数据处数据处 理和资料整理，进而综合提炼理和资料整理，进而综合提炼 并得出科学结论的阶段。并得出科学结论的阶段。 特点一：由于地球化学本质上是属于地球科学，所以其 工作方法应遵循地球科学的思维途径，归纳一下有 以下几个方面： (1)第一手实际资料来

26、自于对自然地质现象的观察和研究 ； (2)在地球的时空结构中整理和综合资料； (3)事实规律的统计性特征； (4)反序地追踪历史； (5)结论的推断性和多解性以及认识的反复深化。 等等 六、地球化学研究方法的特点 这一切都基于一个根本的出发点，即一切地球化 学过程都是寄予宏观的地质作用之中的，基于这个 特点，为此要求我们各类地球化学样品必须有明确 的地质产状的代表性；地球化学的研究结果应落实 到解决地质学认识和应用的世实际中去。 特点二：要求每个地球化学工作者有一个敏锐的地球化 学思维，也就是要善于识别隐藏在各种现象中的地 球化学信息，从而揭示地质现象的奥秘。 特点三：具备有定性和定量测定元素

27、含量及鉴别物相的 技术和装置。 六、地球化学研究方法的特点 例如： 现象如右图：现象如右图： 石英铀矿脉产在花岗岩顶石英铀矿脉产在花岗岩顶 部裂隙中；部裂隙中； 矿脉切穿煌斑岩脉地段铀矿脉切穿煌斑岩脉地段铀 矿化富集；矿化富集； 两侧花岗岩围岩中长石发两侧花岗岩围岩中长石发 生红化。生红化。 这些现象中隐藏着那些地这些现象中隐藏着那些地 球化学信息呢？球化学信息呢？ 沥青铀矿 煌斑岩脉 首先，首先，在岩体顶部的开放裂隙中，氧化条件充分，在岩体顶部的开放裂隙中，氧化条件充分， U为为+6价的铀铣络离子价的铀铣络离子UO22+，与其他元素结合成络，与其他元素结合成络 合物，它的溶解能力强，在溶液中

28、迁移。合物，它的溶解能力强，在溶液中迁移。 其次，其次，当遇到煌斑岩脉（当遇到煌斑岩脉（煌斑岩是一种暗色矿物含煌斑岩是一种暗色矿物含 量高的脉岩，其中黑云母，角闪石中含有低价的量高的脉岩，其中黑云母，角闪石中含有低价的Fe2+ 、Mn2+、Mg2+）时就发生氧化还原反应：）时就发生氧化还原反应： U6+ + 2Fe 2+ U 4+ + 2Fe 3+ Fe 3+ 使长石“红”化不稳定，与使长石“红”化不稳定，与O结合生成沥青铀矿沉结合生成沥青铀矿沉 淀下来！淀下来！ 红化红化是铀从搬运状态转化为沉淀状态的是铀从搬运状态转化为沉淀状态的 标志标志; 从这些信息中了解了这些现象形成的地球化学机制从这

29、些信息中了解了这些现象形成的地球化学机制 七、地球化学发展简史 20世纪初至今（三阶段)： 第一个时期：地球化学资料积累时期（20世纪初到20 年代） 在这个时期内地球化学研究主要局限于地壳 岩石矿物中的化学成分统计整理，其代表人物是 美国的克拉克（F.W.Clarke），由于克拉克的工 作主要是对大量地球化学资料进行统计整理，因 此他在地球化学发展历史中就成了经验统计方向 的创始人。 七、地球化学发展简史 第二个时期：地球化学学科适应时期（20世纪30年代到50年代） 在欧美着重应用晶体化学理论和方法矿物岩石中元素的分配 规律，其创导和奠基人是戈尔德施密特（V.M.Goldschemidt）

30、 ，他为地球化学研究创造了晶体化学方向。 在欧美地球化学发展的同时，在前苏联以韦尔纳茨基 (B.)和费尔斯曼(A.E.)为核心的一 个重要的地球化学学派发展起来了，他们特别强调研究元素的 原子在地壳各种物理化学条件下迁移运动的历史，也就是研究 原子的自然历史方向。 经过以上三个地球化学家的开创性的研究工作，地球化学 从此形成了一门独立的现代理论科学。 七、地球化学发展简史 第三个时期：地球化学发展时期（20世纪60年代到现阶段） 20世纪60年代以来，由于世界现代工业的蓬勃发展， 对资源、能源、环境安全的需要与日俱增；另外现代分析 测试技术的革新；近代化学、物理、数学基础理论学科的 引入，再加

31、上地质学科领域中的新理论的崛起，这就使得 研究地壳中元素组成、作用和演化的科学地球化学得 到了飞跃的发展，地球化学理论和方法迅速渗透到地学的 各个领域; 地球化学的基础理论体系不断得到充实和系统化，地球 化学的研究方法日趋成熟，形成了独特的研究思路，从而 使得地球化学发展成为地球科学的分支学科。 七、地球化学发展简史 我国地球化学发展史: 系统的地球化学工作始于20世纪50年代：1958年中国 科学院建立了地球化学研究室，后扩大为地球化学研 究所(中科院地质与地球物理研究所、中科院地球化学 研究所、中科院广州地球化学研究所）。 20世纪50年代末至60年代初，高校建立地球化学专业 。 80年代

32、开始至今逐渐走向成熟。 当前，我国研究水平总体上处于国际地球化学的中等 水平，也有少数研究领域已经迈入国际先进行列。 八、地球化学的发展趋势 20世纪世纪60年代以来，由于世界现代工业的蓬勃发展，对资源年代以来，由于世界现代工业的蓬勃发展，对资源 、能源、环境安全的需要与日俱增；另外现代分析测试技术的革、能源、环境安全的需要与日俱增；另外现代分析测试技术的革 新；近代化学、物理、数学基础理论学科的引入，再加上地质学新；近代化学、物理、数学基础理论学科的引入，再加上地质学 科领域中的新理论的崛起，这就使得研究地壳中元素组成、作用科领域中的新理论的崛起，这就使得研究地壳中元素组成、作用 和演化的科

33、学和演化的科学地球化学得到了飞跃的发展，地球化学理论和地球化学得到了飞跃的发展，地球化学理论和 方法迅速渗透到地学的各个领域方法迅速渗透到地学的各个领域; 地球化学的基础理论体系不断得到充实和系统化，地球化学地球化学的基础理论体系不断得到充实和系统化，地球化学 的研究方法日趋成熟，形成了独特的研究思路，从而使得地球化的研究方法日趋成熟，形成了独特的研究思路，从而使得地球化 学发展成为地球科学的三大分支学科之一学发展成为地球科学的三大分支学科之一; 下面简略地介绍一下现代地球化学的发展趋势。下面简略地介绍一下现代地球化学的发展趋势。 1. 研究领域不断扩大，分支学科不断增多，地球化学目前有研究领

34、域不断扩大，分支学科不断增多，地球化学目前有 20多种得到过国内外公认的分支学科。多种得到过国内外公认的分支学科。 按按研究对象的物质研究对象的物质组分划分：有同位素地球化学、元素地球化组分划分：有同位素地球化学、元素地球化 学、微量元素地球化学、稀土元素地球化学、有机地球化学、生学、微量元素地球化学、稀土元素地球化学、有机地球化学、生 物地球化学等。物地球化学等。 按按地质作用（自然作用体系）地质作用（自然作用体系）来划分：岩浆作用地球化学、变来划分：岩浆作用地球化学、变 质作用地球化学、风化作用地球化学等等，目前已向地幔化学、质作用地球化学、风化作用地球化学等等，目前已向地幔化学、 宇宙化

35、学方向拓展。宇宙化学方向拓展。 按按使用性质使用性质来分：勘查地球化学、环境地球化学、农业地球化来分：勘查地球化学、环境地球化学、农业地球化 学、地热地球化学等。学、地热地球化学等。 按按实验手段实验手段划分：实验地球化学、包裹体地球化学等。划分：实验地球化学、包裹体地球化学等。 由此可见，地球化学是一个枝繁叶茂的学科，它已渗透到地球由此可见，地球化学是一个枝繁叶茂的学科，它已渗透到地球 科学的各个领域。科学的各个领域。 2. 不断扩大与其他学科的结合，地球化学与其它学科的融合、渗不断扩大与其他学科的结合，地球化学与其它学科的融合、渗 透，使地球化学的基础理论和研究方法不断地得到提高和发展，透

36、，使地球化学的基础理论和研究方法不断地得到提高和发展， 正在使以下几个方面的研究取得进展。正在使以下几个方面的研究取得进展。 微观理论方面：微观理论方面：随着量子化学的发展，新的化学键学说正在随着量子化学的发展，新的化学键学说正在 不断弥补原来价键学说的不足，使元素的结合规律、迁移集中分不断弥补原来价键学说的不足，使元素的结合规律、迁移集中分 散的规律能够得到更趋合理的解释。散的规律能够得到更趋合理的解释。 宏观理论方面：宏观理论方面：非平衡热力学、化学热力学、化学动力学引非平衡热力学、化学热力学、化学动力学引 入地球化学研究，这样使得研究实体更趋于原始地质作用过程。入地球化学研究，这样使得研

37、究实体更趋于原始地质作用过程。 开展模拟实验：开展模拟实验：模拟实验向高压、超高压和自由控制样份分模拟实验向高压、超高压和自由控制样份分 压方向发展，已达到接近上地幔的物理化学条件，这对地幔柱性压方向发展，已达到接近上地幔的物理化学条件，这对地幔柱性 质和演化的地球深部物质状态有了初步认识。质和演化的地球深部物质状态有了初步认识。 地球化学研究的数字化：地球化学研究的数字化：数字模型的建立和电子计算机技术数字模型的建立和电子计算机技术 的应用，是地球化学研究正进入一个对自然界过程进行全面广泛的应用，是地球化学研究正进入一个对自然界过程进行全面广泛 的数字模拟阶段。的数字模拟阶段。 3. 地球化

38、学为解决自然科学的重大理论问题起着越来地球化学为解决自然科学的重大理论问题起着越来 越大的作用。越大的作用。如关于地球和生命的起源、地幔柱的活动如关于地球和生命的起源、地幔柱的活动 、造山带的形成、大气圈的演化、全球温室效应等重大、造山带的形成、大气圈的演化、全球温室效应等重大 基础课题的研究。基础课题的研究。 通过绪论的学习，希望同学们能掌握如 下几个要点： 地球化学的定义 地球化学的研究的基本问题及研究思路 地球化学研究方法的特点地球化学研究方法的特点 地球化学 Geochemistry 主讲：陶继华主讲：陶继华 2013，秋季学期，秋季学期 考核方式考核方式 平时成绩(30):出勤+课堂

39、纪律+ 课堂提问 作业 特别提醒：作业延迟特别提醒：作业延迟一周一周交，交，成绩减半成绩减半； 延迟延迟一周以上拒收一周以上拒收。 期末考试(70):笔试(闭卷) 一、主要内容 第一章：绪论 第二章：太阳系的元素丰度和元素起 源 第三章：地球的化学组成 第四章：元素的晶体化学性质与元素 结合规律 第五章：微量元素地球化学 第六章：同位素地球化学 二、教材和主要参考书二、教材和主要参考书 教材： 张宏飞，高山. 地球化学.北京：地质出版社. 2012 韩吟文，马振东地球化学北京：地质出版社2003 主要参考书： Geochemistry电子版. White, W. M. 美国康奈尔大学, 200

40、1. 地球化学陈道公等合肥:中国科技大学出版社 1994 Isotope Geology. Claude. J. A. 剑桥大学出版社. 2008 微量元素地球化学原理，赵振华著. 北京. 科学出版社， 1997 稀土元素地球化学. P.亨德森编.田丰， 施烺 等译.路凤香，鄂莫岚等校. 北京. 地质出版社， 1984 同位素地质学原理. G.福尔著. 潘曙兰，乔广 生译. 李继亮 校. 北京. 科学出版社.1983 岩石地球化学. Hugh R. Rollison著.杨学明， 杨晓勇，陈双喜译. 合肥. 中国科学技术大学出版 社. 2000 地球化学网站和地球化学网站和Google网站网站

41、声明 课件所涉及的资料，目的是为学生 提供相关信息之用，无任何商业用 途。 课件中部分图件没有给出出处，请 勿转载或引用，如要引用，请查阅 原文！没有给出出处的图件，在此 对原作者深表感谢！ 第一章 绪 论 一、 地球化学的定义 二、地球化学研究的基本问题 三、地球化学学科特点 四、地球化学与其他学科的关系 五、地球化学的研究思路和研究方法 六、地球化学研究方法的特点 七、地球化学发展简史 八、地球化学的发展趋势 地球科学与地球化学： 地球科学简称地学，是数学、物理学、化学、 天文学、地学、生物学(数理化天地生）六大基 础自然科学之一。 现代地球科学有三门基本学科：地质学、地球 物理学和地球化

42、学。 地球化学与地质学、地球物理及大地测量一 起，组成固体地球科学的四个大支柱。 一、地球化学的定义 地球化学(Geochemistry)：地质学(Geology)+化 学(Chemitry)类学科相结合产生的一门边缘学科。 化学化学和和地质学地质学在在地球化学地球化学中是怎么结合的？它中是怎么结合的？它 们之间的关系如何？们之间的关系如何？ 在在地球化学地球化学中，我们用中，我们用化学化学作为技术手段，作为技术手段， 来解决来解决地质地质问题。也就是说，我们用化学来探问题。也就是说，我们用化学来探 索、研究、理解地球以及地球的演化。索、研究、理解地球以及地球的演化。地球化地球化 学学本质上隶

43、属于本质上隶属于地球科学地球科学。 1.地球化学定义 1838年瑞士化学家许拜因第一次提出了“地 球化学”这个名词。 “一定要有了地球化学，才能有真正的地质科 学” 许拜因 B.H.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。 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

44、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 控制各种元素分配的规律。 美国全国地球化学委员会地球化学 发展方向委员会(1973):(以美国科学院 的名义） 地球化学是关于地球(Earth, the globe)和 太阳系(solar system)的化学成分及化学演化 的一门科学，它包括了与它有关的一切科 学的化学方面。 地球化学包括组成太阳系的宇宙尘埃化 学；地球、月球和行星化学；地壳、地幔 和地核化学；岩石循环化学；海洋与大气 的化学演化；岩石中有机质的化学。 涂光炽（

45、1985）： 地球化学是研究地球（包括部分天体 celestial bodies）的化学组成(chemical composition，chemical constitution)、化 学作用（chemical action, chemical process）和化学演化（chemical evolution)的科学。 推荐该定义 思考：从地球化学定义的演化，你能想到什么？ 对定义的理解 研究对象:地球及其子系统（地壳、地幔）及 其自然作用体系（岩浆作用、沉积作用、变 质作用、成矿作用、表生作用、生态环境 ），目前正在向宇宙天体拓展。 对定义的理解 研究形式：主要是元素及同位素在自然界的 化学

46、运动形式。 研究时间：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。 二、地球化学研究的基本问题 概括起来有以下几个基本问题： 第一: 元素（同位素）在地球及各子系统中 的组成 第二: 元素的共生组合和存在形式 第三: 研究元素的迁移 第四: 研究元素（同位素）的行为 第五: 元素的地球化学演化 第一: 元素（同位素）在地球及各子 系统中的组成 简而言之：为“量”的研究。也就是元 素（同位素）的含量及含量在空间、时间 及不同地质产状地质体中的变化。 这一问题是地球化学研究的出发点和 基础资料； 第二: 元素的共生组

47、合和存在形式 在化学课本中了解到原子是构成自然物质的具 有独立性质的最小单位，各种原子构成了客观的地 质体。 地质内部的各种原子的结合和存在形式不是任 意的、静态的，而是有条件的、变化的。它们受地 质作用物理化学状态的控制，是随着地质历史的变 动而变化的。 因此，元素的共生组合和存在形式是地质作用 物理化学条件及变动历史的指示剂。 简而言之为“质”的研究。 第三: 研究元素的迁移 简而言之是“动”的研究，也就是元素在自然作 用体系中的含量和存在形式在时间、空间上的变化。 例如：元素从矿源层中活化迁移到沉淀成矿例如：元素从矿源层中活化迁移到沉淀成矿 （右图）（右图） 某金属元素（某金属元素（Cu）呈分散状态赋存于矿）呈分散状态赋存于矿 物颗粒