地球化學 geochemistry
研究地球及有關天體的化學組成、化學作用和化學演化的科學。它是地質學與化學、物理學等基礎科學相結合而產生和發展起來的邊緣學科。
自20世紀70年代以來，地球化學與地質學、地球物理學並稱固體地球科學三大支柱。它的研究範圍進一步從地球擴展到月球和太陽系的其他天體。
地球化學的理論和方法，對礦產的尋找、評價和開發，農業發展和環境科學等有重要意義。地球科學基礎理論的一些重大研究成果，如地球災變事件、洋底擴張、岩石圈演化等均與地球化學的研究有關。
1.發展概況
地球化學的發展過程大致可分為三個時期：
1.1.萌芽時期
19世紀，一些工業先進國家開展的系統地質調查和填圖、礦產資源開發和利用，促進了地球化學的萌芽。
1838年，德國化學家C.F.舍恩拜因首先提出地球化學一詞。19世紀中葉，分析化學的重量分析、容量分析逐漸完善；化學元素周期律的發現以及原子結構理論和放射性的發現等重大進展，為地球化學的形成奠定了基礎。
1.2.形成時期
1908年，美國F.W.克拉克發表《地球化學資料》一書，1924年修訂出版了第五版。在這部著作中，克拉克彙集了大量礦物、岩石和水的分析資料，計算了地殼的平均化學成分，並提出地球化學應研究地球的化學作用和化學演化，為地球化學的發展指出了方向。
挪威V.M.戈爾德施密特在《元素的地球化學分佈規則》（1923～1938）中指出，化學元素在地球上的分佈不僅與其原子的物理和化學性質有關，而且與它在晶格中的行為特性有關。這使地球化學從主要研究地殼的化學組成轉向探討化學元素在地球中分佈的控制規律。
蘇聯V.I.維爾納茨基和A.Ye費爾斯曼共同創立了蘇俄地球化學學派。
1922年費爾斯曼發表《俄羅斯地球化學》一書，論述了俄羅斯各地區的地球化學特徵，是第一部區域地球化學基礎著作。
1924年維爾納茨基發表了《地球化學概論》一書，首次為地球化學提出了研究原子歷史的任務，並最先注意到生物對於地殼、生物圈中化學元素遷移、富集和分散的巨大作用。
1927年他創建和領導了世界上第一個地球化學研究機構——生物地球化學實驗室。
20世紀30年代費爾斯曼出版了《地球化學》（4卷），多方面分析了地殼中各種原子運移的規律。
與此同時，放射性衰變規律的認識、同位素的發現、質譜儀的發明與改進，導致了同位素地球化學，特別是同位素年代學的開拓。
1907年美國化學家B.B.博爾特伍德發表了第一批化學鈾-鉛法年齡數據。40～60年代，鈾-釷-鉛法、鉀-氬法、銣-鍶法、普通鉛法、碳-14法等逐步發展完善，使同位素年代學初具規模。
1.3.發展時期
20世紀60年代以後，地球化學除繼續把礦產資源作為重要研究對象以外，還開闢了環境研究、地震預測，海洋研究和開發、生命起源、地球深部和球外空間等領域的研究。
地球化學分析手段飛速發展，廣泛應用超微量、高靈敏度的分析測試技術和儀器，配合電子計算機的使用，不僅可獲得大量高精度的分析數據，而且可以直接揭示樣品中難於觀測的元素及其同位素組成的細微變化和超微結構。
一些新的年代測定法，如鈾系法、裂變徑跡法、氬-40/氬-39法、釤-釹法、熱釋光法等相繼成熟，使同位素年代學方法更加完善。
在這個時期，中國在元素地球化學、同位素年代學方面取得了一批重要成果。1961年李璞等發表了中國第一批同位素年齡數據；1962年黎彤等發表了中國各種岩漿岩平均化學成分資料；1963年中國科學院完成了中國鋰鈹鈮鉭稀土元素地球化學總結，提出了這些礦種的重要礦床類型和分佈規律。
2.研究內容
主要包括：① 研究地球和地質體中元素及其同位素的組成，定量地測定元素及其同位素在地球各層圈和地質體中的分佈；② 研究地球表面和內部及些天體中進行的化學作用，揭示元素及其同位素的遷移、富集和分散規律；③ 研究地球乃至天體的化學演化，即研究地球各個部分，如大氣圈、水圈、地殼、地幔、地核中和各種岩類以及名種地質體中化學元素的平衡、循環、在時間和空間上的變化規律。
3.分支學科
基於研究領域、課題任務和手段不同，地球化學形成了多個分支學科。
3.1.元素地球化學
從岩石等天然樣品中化學元素含量與組合出發，研究各個元素
在地球各部分以及宇宙天體中的分佈、遷移與演化。在礦產資源開發中，元素地球化學發揮了重要作用，微量元素地球化學研究提供了成岩、成礦作用的地球化學示蹤劑，並為建立成岩、成礦作用的定量模型奠定了基礎。
3.2.同位素地球化學
根據自然界的核衰變、裂變及其他核反應過程所引起的同位素變異，以及物理、化學和生物過程引起的同位素分餾，研究天體、地球以及各種地質體的形成時間、物質來源與演化歷史。
同位素年代學已建立了一整套同位素年齡測定方法，為地球與天體的演化提供了重要的時間坐標。已測得太陽系各行星形成的年齡為45億～46億年，太陽系元素的年齡為50億～58億年。
在礦產資源研究中，同位素地球化學可以提供成岩、成礦作用的多方面信息，為探索地質體及礦床的形成機制和物質來源提供依據。
3.3.有機地球化學
研究自然界產出的有機質的組成、結構、性質、空間分佈、在地球歷史中的演化規律以及它們參與地質作用對元素分散富集的影響。生命起源的研究是有機地球化學的重要內容之一。包括兩方面：一是對生命前期有機物質演化及前寒武紀古老岩石中生命痕迹的探索；二是根據天體演化規律，進行地球上早期生命及生命起源機制的模擬實驗。有機地球化學建立的一套生油指標，為油氣的尋找和評價提供了重要手段。
3.4.天體化學
研究元素和核素的起源，元素的宇宙丰度，宇宙物質的元素組成和同位素組成及其變異，天體形成的物理化學條件及在空間、時間的分佈及變化規律。
3.5.環境地球化學
研究人類生存環境的化學組成、化學作用、化學演化及其與人類的相互關係，以及人類活動對環境狀態的影響及相應對策。環境地球化學揭示了某些疾病的地區連分佈特徵及其與環境要素間的關係。
3.6.礦床地球化學
研究礦床的化學組成、化學作用和化學演化。着重探討成礦的時間、物理化學條件、礦質來源和機理等問題。它綜合元素地球化學、同位素地球化學、勘查地球化學和實驗地球化學等分支學科的研究方法和成果，為礦產的尋找、評價、開發利用服務。
3.7.區域地球化學
研究一定地區某些地質體和圈層的化學組成、化學作用和化學演化，以及元素、同位素的循環、再分配、富集和分散的規律。它為解決區域各類基礎地質問題、區域成礦規律和找礦問題以及區域地球化學分區與環境評價等服務。區域地球化學揭示的元素在空間分佈的不均勻性，為劃分元素地球化學省和成礦遠景區提供了依據。
3.8.勘查地球化學
通過系統測量成礦和伴生元素在不同地質體及區帶的含量和分佈研究，找出異常地段，以縮小靶區和圈定找礦及勘探對象。除直接為礦產資源勘查服務外，它也是環境評價及國土規劃的重要參考依據。
地球化學的一些重大成果是各分支學科綜合研究的結果。如隕石、月岩與地球形成的同位素年齡的一致，表明太陽系各成員形成獨立宇宙體的時間是大致相同的。又如微量元素和同位素研究、導致發現地幔組成的垂向的和區域不均一性，提出了雙層地幔模型，加深了對地球內部的認識。天體化學、微量元素和同位素地球化學研究，還為新災變論提供依據。
4.研究方法
綜合地質學、化學和物理學等的基本研究方法和技術，形成了一套完整和系統的地球化學研究方法。包括野外地質觀察、採樣，天然樣品的元素、同位素組成分析和存在狀態測試，元素遷移、富集地球化學過程的實驗模擬等。
在思維方法上，對大量自然現象觀察資料和岩石、礦物中元素含量分析數據的綜合整理，廣泛採用歸納法，得出規律，建立各種模型，用文字或圖表方式表達，稱為模式原則。
隨着研究資料的積累和地球化學基礎理論的成熟和完善，特別是地球化學過程實驗模擬方法的建立，地球化學研究方法已由定性轉入定量化、參數化，大大加深了對自然作用機制的理解。
現代地球化學，廣泛引入精密科學的理論和思維方法，研究自然地質現象，如量子力學、化學熱力學、化學動力學、核子物理學等，以及電子計算技術的應用使地球化學提高了推斷能力和預測水平。
在此基礎上編製了一系列地質和成礦作用的多元多維相圖，建立了許多代表性礦床類型成礦作用的定量模型和勘查找礦的計算機評價和預測方法。
5.展望
地球化學研究正在經歷三個較大的轉變：由大陸轉向海洋，由地表、地殼轉向地殼深部、地幔，山地球轉向球外空間。地球化學的分析測試手段將更為精確、快速。微量，超微量分析測試技術的發展，將可獲得超微區（微米）範圍內和超微量（微克）樣品中元素、同位素分佈和組成資料。
低溫地球化學、地球化學動力學、超高壓地球化學、稀有氣體地球化學、比較行星學等都屬有巨大發展前景的新的分支學科。
21世紀的地球化學，除繼續為礦產資源、環境保護等作出貢獻外，還將為全球變化、生物圈與生態環境、國際減災、大陸超深鑽、行星探測、深海觀察、不同比例尺和範圍的地球化學填圖等提供新的成果。
推薦書目
美國全國研究理事會地學部全國地球化學委員會《地球化學發展的方向》編與組. 地球化學發展的方向. 徐仲倫，譯. 貴陽：貴州人民出版社，1983.
塗光熾. 地球化學. 上海：上海科學技術出版社，1984.
中國科學院地球化學研究所. 高等地球化學. 北京：科學出版社，1998.
摘自：《中國大百科全書（第2版）》第5冊，中國大百科全書出版社，2009年
