第一章 绪 论

1. 地球化学的基本概念

什么是地球化学？顾名思义，地球化学就是地球的化学，它是研究地球

（广义的也包括部分天体）的化学组成、化学作用及化学演化的学科。它是地学和化学的边缘学科。地球化学着重研究化学元素和其同位素在地球演化历史过程中的分布、迁移的规律，并运用这些规律来解决有关的理论和实际问题。

地球化学的定义、概念和研究范围是逐渐发展的，不是一成不变的。早在本世纪 20 年代，维尔纳茨基（В.И.Верналскиǔ）给地球化学下的定义是：“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、它们在时间和空间上的分配和运动，以及它们在地球上的成因关系”。这大概是那个时代对地球化学的最完整的理解了。随着科学和技术的发展，地球化学的研究内容和领域也更为广泛。1973 年，美国全国地球化学委员会地球化学发展方向小组委员会以美国国家科学院的名义编写的《地球化学发展方向》

（《Orientation in Geochemistry》）一书中给地球化学作了如下的描述： “ 地球化学是关于地球与太阳系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学科的化学方面”。“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（包括剥蚀、搬运、沉积和抬升）化学；海洋与大气的化学和岩石中有机质的化学”。这表明，不但地球化学的研究范围扩大了，而且研究的出发点和重点也从“地壳中的原子”，“元素的行为”而发展成为地球的“化学组成”、“化学演化”，乃至“地球和行星演化的所有化学方面”。

在各种自然体系中，物质的分布是不均匀的，因而组成物质的各种元素， 其分布也是很不均匀的。地球化学的一个首要任务就是查明各自然体系（大至地壳、地球、太阳系，小至岩石、矿物）中化学元素的分布状态。要从其不均匀分布中了解其变化范围和其平均值，后者就是所谓的元素丰度。地球化学研究各自然体系中元素的分布和丰度的目的，是要搞清元素分布不均匀的原因，以及支配化学元素分布的规律。了解化学元素和同位素的分布和丰度规律，可以为阐明矿物岩石成因、地壳地幔演化及太阳系元素起源等理论问题提供科学依据。

发生在地球上的各种物理作用、化学作用、生物作用和地质作用都是物质的运动过程。在这些作用中，元素和由它组成的化合物依据各自的物理性质和化学性质，以及它们所处的物理化学环境（温度、压力、浓度等），遵循一定的规律，以不同的速度相对地运动着，并产生物质的化学变化。这种变化和运动所表现出来天然化学现象，可以称为地球化学作用或地球化学过程。地球化学的第二个任务就是要研究地球表面及深部和某些天体千变万化、丰富多采的化学作用。地质作用就是一种重要的地球化学作用，它包括了各类岩浆作用、风化沉积作用和变质作用等，岩浆作用中又有熔融作用、结晶作用、同化混染作用等等。这些作用各有其特殊的物理化学环境和物理化学作用。

元素在不同的地球化学作用中，由于所处物理化学条件不同，往往表现

出不同的化学特性。元素的这种特性，叫做元素的地球化学行为。因此，同一元素在不同的地球化学作用中可以表现出不同的地球化学行为。例如，铅在岩浆作用中以二价离子（Pb2+）出现。它不形成独立矿物，常以类质同象方式替换两个钾离子（K+）而进入钾长石；在热液作用中，当有二价硫离子

（S2-）存在时，铅就与之结合而形成方铅矿；在地表风化作用中，硫可被氧化。方铅矿变得不稳定，分离出来的 Pb2+，可与硫酸根结合形成铅矾（PbSO4），也可以与碳酸根结合而形成白铅矿（PbCO3）。同样，化学性质非常相似的元素，由于它们的地球化学性质和行为的差异，在同一地球化学作用中有极不相同的行为。如钾和铷，化学性质相近，但由于它们的丰度差异大，表现出完全不同的地球化学行为。钾可以形成独立矿物，而铷总是呈分散状态存在于其它矿物中。

正是由于不同的元素具有不同的化学性质，同一元素在不同的地球化学作用中有不同的地球化学行为，导致了自然界中各种元素之间彼此结合或分离。使元素从一个空间转入另一个空间，从一种存在状态转变成另一种存在状态，或从一个发展阶段进入另一发展阶段。并引起化学元素的富集和贫化， 这就是元素的迁移。元素在不同的时间和空间上的分布，是特定条件下元素迁移的结果。在地球历史中，化学元素经历了反复多次的迁移、分布过程， 这个过程今天仍在继续进行之中。元素在任何一个阶段变化的最终情况，便是它下一阶段变化的起点。各个阶段元素迁移的总和，就构成了元素的地球化学演化。这是地球化学所要研究的另一个极为重要的问题。

生物是演化的，这在达尔文之后就已得到了公认。地球无机界的各个组成部分是否也是演化的呢？唯物论者认为，无机世界和有机世界一样也是演化的，不同的是无机界的演化速度很慢，或者说演化的方向不十分明朗，不像生命世界的演化那样明显，容易察觉。事实上，地球上的任何一个组成部分，如地壳、地幔、大气、海水、岩石、矿产等无一不处在演化之中。

譬如大气是演化的。今天地球表面的大气圈组成和二十几亿年前有很大差别。太古代时期，剧烈的火山喷气活动使大气中二氧化碳和甲烷的浓度很大，氧的浓度却很低。大致只有今天大气中氧浓度的千分之一左右。随着火山喷气剧烈程度的降低，生物的逐渐演化和旺盛，植物的光合作用等才使大气中二氧化碳组分降低，氧气的比例才逐渐增多，演化至今天的大气。

地壳也是演化的，只不过关于其演化模式说法还不一致。有的人提出可分为太古代绿岩带岩浆活动、元古—古生代大陆壳增生、中新生代陆壳开张地幔物质上升的三个演化时期。1980 年 26 届国际地质大会上，有人提出了包括地球在内的内行星的壳层演化模式，地壳的发展经历了四个阶段：地球初始时期的广泛熔融；40 亿年前的第一次分异，形成安山质、斜长岩质和玄武质的原始地壳；25—40 亿年前的第二次分异，为多次的玄武岩熔融和岩浆喷发；25 亿年以来的现代地壳的逐渐形成，板块运动开始。尽管关于地壳演化的模式说法不一，但演化的总趋势是朝着 Si，K，Na 增加，而 Fe，Mg，Ca 减少的方向这一点是不变的。

矿产也是演化的，无论是矿产的种类或者单一的矿种，都是变化的。20 多亿年前，形成的是大量的铁矿、锰矿、金矿及一些有色金属矿，但种类不多。而钨、锡、汞、锑等矿则很少或几乎没有。煤矿、油气矿床则是在显生宙之后特别是中生代之后才大量出现的。同样是铁矿，18 亿年前大量出现的是还原的赤铁矿矿床，而在 18 亿年后，由于火山喷发急剧减少，大气中氧的

增加，代之而起的则是所谓的鲕状赤铁矿矿床。

总之，研究地球上各地质体的化学组成、化学反应、化学演化，了解其一切化学方面，便构成了地球化学领域的主要方面。