地球化学学科发展展望 | 中国地球化学学科发展史

　　《中国地球化学学科发展史》是中国地球化学学科及其紧密相关的矿物学与岩石学的发展历史、主要成就和发展趋势的全面、系统和综合总结。本书汇集了全国地球化学界100 多位专家学者，2012 年元月启动，2017 年年底收齐稿件，历时六年，在中国科学院重点课题“中国地球化学、地球物理学科发展史研究” 的支持下，就地球化学学科发展的历史进程，22 个主要分支学科的发展历史、主要成就和未来发展途径进行分析研究和综合论述。本文分享“第一章国际地球化学学科的发展及其对中国的影响”之“地球化学学科发展展望”部分内容。

　　地球化学与地球科学的其他学科一起，一方面肩负着研究当代地球科学面临的五大基本理论问题——太阳系、地球、生命、人类和元素的起源与演化的重大使命，另一方面要研究和解决影响人类生存所面临的一系列重大问题——资源短缺、全球气候变暖、生态环境恶化和自然灾害频发。这些使命和问题过去是，今后仍然是地球化学学科研究的重点。

　　▍一、全球气候变化

　　全球气候变化是当今全世界最为关心的问题之一。美国的“USGCRP” 在2012 年的研究经费就达10605 万美元，比2011 年增加了33%；许多国家都有类似的计划。

　　全球气候变暖是个不争的事实。气候变暖引起海平面上升、极端天气频发，气候变化导致干旱、洪水、农业歉收，以及人类生存环境恶化。导致气候这种变化的因素很多，既有自然原因，也有人为原因。目前人们更多地着眼于温室气体效应。二氧化碳(CO ) 和甲烷(CH4) 是最主要的温室气体。随着工业文明的到来，1800 年后大气中的CO 和CH4急剧增高(图1-3，图1-4)，它们对全球变暖有着重要影响。CH4 虽然在大气层中含量很低，但它的效应是CO的10 ~20 倍，似乎对全球变暖的影响更大。

　　图1-3过去1000年全球中大气甲烷浓度的增加趋势

　　(据王淑玲和田黔宁，2014)

　　图1-4全球二氧化碳浓度随年份的变化

　　为了应对温室气体效应，人们一方面设法控制CO 的排放，另一方面设法封存排放的CO。并由联合国倡议(《联合国气候变化框架公约》) 于1997 年12 月11 日在日本签订《京都议定书》，以控制大气中人为产生的温室气体(主要为CO ) 的含量。至于封存CO，无论是将CO封存于地下(如枯竭或开采到后期的油气田、废弃的煤矿、地下深部含盐蓄水层或地下溶洞)，或是将CO 排入大洋；这些都是目前在积极研究的课题。地球化学是应对温室气体效应必不可少的手段。

　　实际上全球气候变暖远不只是温室气体效应，也远不是这么简单就能解决的。影响变化的自然因素不仅重要，而且十分复杂。它包括碳循环、水循环、大气组分及其温室气体的变化过程、海洋和陆地生态系统、海洋和大气环流等；影响气候变化的人为因素: 城市化、人口增长与经济发展，以及工业化等。研究这些因素并找出解决办法，除了地球化学学科外还需要多学科相结合，既研究过去和当前全球气候的变异，也要对将来气候的变迁做出预测，评估变化带来的影响。可以说，全球气候变化的研究是摆在地球化学和其他学科面前的一项艰巨任务。

　　▍二、未来的热点——城市地球化学

　　城市化是社会发展的一个普遍规律。今天世界人口的一半多生活在城市地区，预计到2050 年城市地区的人口将达到63 亿，占世界人口总数的67%。城市化的焦点由发达国家转向亚洲、中东、非洲和拉丁美洲的发展中国家。据预测，到2025 年将有10 亿人住在人口超过500 万的大城市中。人口超过1000 万的巨型城市1970 年只有两个，到2025 年将增加到37 个(Lyons and Harmon，2012)。

　　随着城市人口的高度集中，伴随而来的是矿产资源、食物、水和能源的大量消耗。今天占地球陆地面积2%的城市地区产生了全世界(国内) 生产总值的80%，它们承担了全球30%的能耗和80%的CO排放。资源的消耗在生产了大量工业品的同时，也产生了巨量的废弃物和严重的污染，不仅严重影响了人类的身体健康，也破坏了生态的完整性和多样性。一个城市的生态足迹，或总的负担可能是巨大的。通常与城市化相伴随的是每个人的生态足迹在增大。例如北京居民的生态足迹是中国人均的3 倍。世界24 个巨型城市中有20 个空气质量已退化到严重影响人体健康的地步；世界10 个污染最严重的地方有9 个是工业城市，且大部分在发展中国家(Lyons and Harmon，2012)。

　　城市环境问题不同于一般的环境问题。城市环境下的地球化学现象深深地影响着有害的微量金属、有毒的有机化合物及生产中废弃物的特征、分布和扩散过程。天然景观被道路、停车场、建筑物和住宅开发所取代，带来的是不透水的地表；不渗透区扩展使降水能渗透到地下的总面积减少了，导致频繁而严重的洪水泛滥，河漫滩和湿地丧失，水系搬运能力下降，水温、水流、沉积作用和生物栖息地的改变影响了城市环境的水质，化学化合物快速搬运到水系中，影响它们的性状、分配和最终的储存。绿色空间的数量和规模严重减少；人口密度的加大又影响了城市的地球化学作用，带来难以预料的生态后果。城市地球化学流是城市地球化学学科最重要的研究对象；在发达国家，城市地球化学被称为科学的前沿领域。

　　▍三、地球化学的新任务: 资源和环境

　　当代社会一方面随着工业发展、人口增长和生活水平的提高，对矿产资源的需求越来越大，另一方面随着地表矿的枯竭，寻找深部矿、隐伏矿提上了日程，找矿难度越来越大，作为重点找矿方法——地球化学找矿面临一个重大转折。

　　20 世纪90 年代，为了寻找隐伏矿诞生了一系列地球化学方法，包括以气体为采样介质的地气类方法和以土壤为采样介质的选择性提取方法。这类方法统称为纳米地球化学方法或深穿透地球化学方法。

　　深穿透地球化学方法也称穿透性地球化学方法。它是通过研究成矿元素或伴生元素从隐伏矿向地表的迁移机理，测量穿透覆盖层到达地表的元素的含量和成分，探索与隐伏矿有关的地球化学模式，以顺利找到隐伏矿。这个方法的特点是: 获取的是穿透性信息，这种信息的穿透力强，探测深度大；尽管信息很微弱，但所表现的异常衬值较大。该方法与常规地球化学方法的区别在于: ①常规方法探测的是原地风化产物，穿透性地球化学方法探测的是穿透覆盖层的信息；②常规方法用于出露矿或原地沉积物覆盖矿的勘查，穿透性地球化学方法则用于外来盖层的隐伏矿勘查。如图1-5 所示，对隐伏矿床只能用特殊的手段，提取或捕获其下伏隐伏矿的成分被某种营力穿透盖层迁移到达地表的信息，才能找到它们(王学求，张必敏，刘学敏，2012)。

　　图1-5 矿体产出的类型与方法技术的使用示意图(据王学求，张必敏，刘学敏，2012)

　　A——出露矿；B——盲矿；C——半出露矿；D、E、F——隐伏矿

　　目前深穿透地球化学方法尚处于研究和试验阶段。中国也参加了“国际深穿透地球化学研究计划”。未来将发展系列深穿透地球化学理论和方法技术，将物理分离技术与化学提取技术相结合，建立盆地深穿透地球化学区域调查技术研究。

　　随着工业的发展，人类生活环境严重恶化已是不争的事实，人类赖以生存的空气、水、土壤遭到污染，酸雨事件、烟雾事件、光化学事件不断暴发，生态环境遭到破坏，频发的环境灾害引起各国的重视。作为地球化学与环境科学相结合的环境地球化学得到迅猛发展，据中国地质图书馆统计，环境地球化学是1972 ~ 2007 年中文地球化学文献中增长最快的一个分支学科(图1-6)。

　　图1-6 1972 ~2007 年地球化学各分支学科中文文献所占比例图示

　　为了应对环境问题，20 世纪70 年代英国皇家学会组建了“环境地球化学与健康专题委员会”，率先开展了环境地球化学填图工程。现在综合性多用途的环境地球化学填图(表1-3) 在北欧、北美、俄罗斯和中国全面展开。可以肯定地说，在最近的数十年中，环境依然会是地球化学学科关注的热点之一。

　　据谢学锦，2003

　　▍四、生命的起源

　　探索生命起源和演化是地球化学研究的终极目标之一。近20 多年来，对洋底进行地质调查和生态学考察的技术手段取得了空前的进步，通过下潜到水深5000 m 以下的洋底观察和取样所获得的成果进一步推动了对生命起源的研究。

　　通过深海调查，在大洋中脊发现了许多作为热液排出口的深海硫化物“烟囱”。研究人员在这些“烟囱” 周围发现了生命活动现象和独特的生命群落。近年来在天然气水合物调查中发现了与硫化物“烟囱” 周围见到的深海生物群落非常相似的与天然气水合物伴生的深海生态系统。研究发现，海底沉积物中天然气水合物的存在创造了一个被微生物和大型生物密集群落利用的栖息地。这些生物包括双壳类、被称为“Vestimentiferan” 的管蠕虫、多毛类环蠕虫、须腕动物、海绵动物、腹足类动物和小甲壳类动物等。它们依靠吸食丰富的经化学作用合成的原体微生物(如古细菌和细菌) 为生。在有天然气水合物存在的黑暗的深海中，生命的基本过程不是依靠光合作用(该过程是利用太阳所释放的光转化成生物体所需要的能量)，而是一种新陈代谢作用的“化学合成作用”。自营有机体(如某些细菌) 通过这种方式获得转化有机质中的碳所需的能量，并通过氧化无机物质完成生命过程所必需的生命合成作用。这些生物体的行为就像最初级的生产者为食物链上较高的生物提供食物。1997 年7 月12 日，研究人员在墨西哥湾550 m 深处的一个天然气水合物的露头上发现了无光环境中的“冰蠕虫”。这是一种属于环节动物门的多毛类动物，数量最多的是甲烷虫(Hsiocaeca) (图1-7)。它没有嘴和消化器官，它把生活在其细胞组织中的化学合成细菌当做自己所需要的能量和营养的来源。

　　图1-7 墨西哥湾540 m 深处的天然气水合物矿床

　　表面的甲烷虫(Hsiocaeca) 和冰蠕虫(Methanicola)

　　橘色的水合物是由于天然气水合物矿床中有带油脂光泽的凝析相所致。这些冰蠕虫从水合物表面挖掘通道直达下面的沉积物

　　上述这些发现为地球生命起源准备了新假说的依据。这些假说认为，最早的有机生命体是自养生物而将CO、NH、HS、HO 和PO3-4 等无机分子合成自养生物利用的有机分子需要催化剂的参与。催化剂主要由蛋白质组成，其表面活性成分中经常会含有过渡金属(Fe、Co、Ni) 和S，因为这些金属硫化物在地球早期生命过程中可能发挥了重要作用。Russel 等基于地球化学理论提出了另一种生命起源假说。他们认为冥古宙酸性、温热的海水(90 ℃) 与碱性、还原性热液(150 ℃) 混合，使胶态的FeS 以薄膜的形式自然沉淀，并在膜内形成氨基酸和有机含硫聚合物，随着它们的浓度越来越高，这些有机分子聚合覆盖在FeS 的内表面，或者组成胶团，逐步形成了早期的类细胞结构，这种结构也为RNA 和DNA 的产生提供了可能(许恒超和彭晓彤，2013)。

　　构成生命有机体的主要成分是C、H、O 和N，其次有P、K、Ca、Fe、Mg、S、Mn 和Zn 等，地球的早期生命虽然没留下化石遗迹，但是留下了化学遗迹。现代科学技术的发展有可能在古老的沉积物中发现早期生命的化学遗迹，以破解地球生命起源之谜。

　　▍五、地幔钻探

　　继20 世纪70 年代苏联开展超深钻探之后，许多国家包括中国都开展了大陆科学钻探计划。大陆科学钻探计划的目的是直接获取地球深部物质样品，以及深部岩石和流体的各种物理、化学和生物参数。时至今日，人们迫切希望开展地幔钻探，对原位地幔物质进行观测和取样。

　　大陆地壳最薄处也有三四十千米，从大陆上是很难达到地幔的。目前大陆钻探所见到的是地壳物质，至多也就是一些间接的地幔物质，为此科学家设想在大洋底部的海岭，特别是最具优势的太平洋海岭进行钻探。那里地壳最薄，只有六七千米。海岭也是地幔物质上升的地方(图1-8)。如果钻到纯橄榄岩层便可认为钻到地幔了。通过地幔钻探，预期可以解决诸多的地质问题，给地球化学一个新的展望(荒井章司，2013)。

　　图1-8 洋脊区洋壳岩石圈的结构模型(荒井章司，2013)

　　▍六、火星: 地球外空间探测的下一个目标

　　美国通过载人登月的“Apollo 计划” (1961 ~ 1972)，在Apollo-11、12、14、15、16和17 任务中共成功采集并返回了2196 份独立的岩石、土壤和岩芯样品。总质量为381. 69kg。苏联Luna-16、20 和24 任务(1972 ~1976) 利用机器采样并成功返回300 g 岩芯样品(孙灵芝，凌宗成，刘建忠，2012)。我国探月工程也已实现月面软着陆，并采取样品，即发射返回舱，采集关键性月壤和月岩样品后返回地球，以供进行全面精细的研究。月球探测通过样品的地球化学研究，能取得大量第一手的月球资料。

　　火星是离地球最近的一颗行星。目前研究所知，火星大气圈的成分CO 占90%，其余10%为水蒸气、N2和其他气体，火星大气中发现含有极微量(约30×10-12) 的甲烷气体。CO水合物存在于火星地表以下，因为那里的温度很低(-127 ~ -40 ℃)，通常认为，表面温度的季节性变化影响气体水合物的形成和分解，造成了火星大气成分的连续变化。CO水合物也存在于火星表面的极地冰盖和大气的云层中。据估计，气体水合物稳定地带从表面往下延伸了1 km 之多。就地可能从水合物获得资源(如水)；这种可能性有助于刺激人类尝试在火星上定居。这也是人们热衷于火星研究的原因之一。

　　目前已制定了火星国际取样返回计划，该计划的主要科学目的是：

　　①预测火星上C、N、S 的存在及相关化合物的化学、矿物、同位素组成。

　　②通过与生命相关的矿物及有机分子、同位素组成，评价过去的生命和生命前驱物质的证据。

　　③解决火星上水与岩石相互作用的物理化学条件。

　　④确定火星上沉积、成岩、风化和岩浆活动等地质作用的绝对年龄。

　　⑤通过沉积物和沉积过程的研究，解释火星的古环境和表层水的历史。

　　⑥解释火星风化层的形成过程和多样性的原因。

　　⑦认识火星大气层的组成及其变化。

　　⑧评价火星可利用的资源。

　　⑨识别载人火星探测过程中可能出现的生物和毒性物质危害，以及尘埃的危险性。

　　无疑，火星探测的上述科学目的将会给地球化学学科带来新的挑战。

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　　END

　　本文摘编自《中国地球化学学科发展史》（上下册，欧阳自远主编. 北京：科学出版社，2018. 12）一书“第一章国际地球化学学科的发展及其对中国的影响”(作者: 项仁杰、周新华)，有删减，保留了原文图表编号，标题为编者所加。

　　ISBN 978-7-03-060100-1

　　责任编辑：韩 鹏 宋云华 王 运

　　《地球化学学科发展史》（上下册）是中国地球化学学科及其紧密相关的矿物学与岩石学的发展历史、主要成就和发展趋势的全面、系统和综合总结。本书汇集了全国地球化学界100 多位专家学者，2012 年元月启动，2017 年年底收齐稿件，历时六年，在中国科学院重点课题“中国地球化学、地球物理学科发展史研究” 的支持下，就地球化学学科发展的历史进程，22 个主要分支学科的发展历史、主要成就和未来发展途径进行分析研究和综合论述。本书附录包括“中国地球化学学科大事记” 和“中国地球化学家(已故) 传略”。本书可供从事地球科学及相关的月球与行星科学、天体化学等学科的研究人员、高校师生和地球科学爱好者参考，为科学史的研究学者提供地球化学学科发展史的科学记录。

　　目录

　　序

　　前言

　　上册

　　第一章国际地球化学学科的发展及其对中国的影响1

　　第一节国际地球化学学科发展概况1

　　第二节地球化学学科发展的特点6

　　第三节国际地球化学对中国地球化学学科成长的影响12

　　第四节地球化学学科发展展望15

　　主要参考文献22

　　第二章中国地球化学学科的形成和发展24

　　第一节古代中国地球化学思想的萌芽24

　　第二节现代中国地球化学学科的启蒙和孕育34

　　第三节中国地球化学学科创建时期38

　　第四节中国地球化学学科的成形阶段50

　　第五节中国地球化学的创新发展阶段76

　　主要参考文献91

　　第三章从文献资料分析看地球化学学科的发展历程105

　　第一节研究背景105

　　第二节国际地球化学文献研究105

　　第三节中国地球化学文献研究108

　　主要参考文献125

　　第四章中国地球化学研究机构、高校教育以及中国矿物岩石地球化学学会的发展状况131

　　第一节地球化学专业学术研究机构的配置和发展131

　　第二节高等院校地球化学专业与院系的设置和发展177

　　第三节中国矿物岩石地球化学学会的发展状况198

　　第五章区域地球化学219

　　第一节区域地球化学学科的发展历程219

　　第二节中国区域地球化学学科的研究现状222

　　第三节区域地球化学研究新的生长点226

　　第四节今后发展方向和主要研究领域232

　　主要参考文献233

　　第六章元素地球化学239

　　第一节元素地球化学学科的发展概况239

　　第二节元素地球化学学科在我国的发展243

　　第三节中国元素地球化学学科的主要研究成果247

　　第四节学科研究的趋势和发展方向256

　　主要参考文献258

　　第七章同位素地球化学267

　　第一节学科建立与向苏联学习阶段268

　　第二节自力更生阶段274

　　第三节引进西方技术和赶上国际前沿阶段287

　　第四节交叉渗透阶段307

　　第五节结束语315

　　主要参考文献316

　　第八章环境地球化学331

　　第一节环境地球化学学科的形成(1980年前，形成阶段) 332

　　第二节中国环境地球化学及其分支学科发展(1980～2000年，发展阶段) 339

　　第三节中国环境地球化学学科发展的未来(21世纪以来，拓展阶段) 355

　　主要参考文献377

　　第九章有机地球化学393

　　第一节国际有机地球化学学科的主要研究成果393

　　第二节中国有机地球化学学科的主要研究成果393

　　第三节有机地球化学在新世纪的可能生长点404

　　第四节中国有机地球化学学科研究应重视的领域411

　　主要参考文献412

　　第十章生物地球化学425

　　第一节生物地球化学学科的形成与发展425

　　第二节中国生物地球化学的研究现状与进展430

　　第三节生物地球化学学科的发展方向和主要研究领域438

　　主要参考文献441

　　第十一章生态地球化学449

　　第一节生态地球化学学科产生的背景449

　　第二节生态地球化学的概念和研究内容450

　　第三节中国生态地球化学学科主要研究成果452

　　第四节生态地球化学学科的发展趋势458

　　主要参考文献459

　　第十二章海洋地球化学469

　　第一节中国海洋地球化学学科发展概况470

　　第二节中国海洋地球化学研究若干重要成果483

　　第三节中国海洋地球化学学科发展趋势485

　　主要参考文献487

　　第十三章水文地球化学500

　　第一节本学科的科学意义及其在国际上的发展状况500

　　第二节中国水文地球化学学科的发展历程和主要特点505

　　第三节今后发展方向和主要研究领域512

　　主要参考文献514

　　第十四章盐湖地球化学517

　　第一节中国盐湖地球化学学科的发展历程517

　　第二节中国盐湖地球化学主要成果与进展518

　　第三节盐湖地球化学的发展趋势和展望533

　　主要参考文献535

　　第十五章构造地球化学544

　　第一节构造地球化学研究的历史和背景544

　　第二节中国构造地球化学的研究现状和进展546

　　第三节存在问题和学科发展方向556

　　主要参考文献560

　　下册

　　第十六章岩浆作用地球化学569

　　第一节开拓时期：20世纪50年代之前569

　　第二节初创时期：20世纪50年代至70年代570

　　第三节稳定发展时期：20世纪80年代至世纪之交572

　　第四节蓬勃发展时期：新世纪之初的十余年579

　　第五节小结586

　　主要参考文献587

　　第十七章沉积作用地球化学599

　　第一节沉积作用地球化学学科的形成599

　　第二节中国沉积作用地球化学研究现状602

　　第三节中国沉积地球化学研究主要成果604

　　第四节中国沉积作用地球化学学科发展方向609

　　主要参考文献609

　　第十八章变质作用地球化学615

　　第一节变质作用地球化学学科的形成和发展历程615

　　第二节中国变质作用地球化学学科简史619

　　第三节变质作用地球化学学科发展趋势624

　　主要参考文献627

　　第十九章前寒武纪地球化学633

　　第一节前寒武纪地球化学学科的形成633

　　第二节中国前寒武纪地球化学学科的发展历程634

　　第三节中国前寒武纪地球化学学科的研究现状和成果635

　　第四节新的生长点和发展方向649

　　主要参考文献657

　　第二十章第四纪地球化学669

　　第一节第四纪地球化学学科的形成669

　　第二节中国第四纪地球化学学科发展历程670

　　第三节中国第四纪地球化学研究重要成果671

　　第四节第四纪地球化学学科发展趋势694

　　主要参考文献695

　　第二十一章勘查地球化学718

　　第一节中国勘查地球化学学科的发展历程718

　　第二节中国勘查地球化学学科的发展特点与经验727

　　第三节今后发展方向和主要研究领域729

　　主要参考文献732

　　第二十二章油气地球化学734

　　第一节中国油气地球化学学科的发展历程734

　　第二节分析技术的发展745

　　第三节油气地球化学研究展望746

　　主要参考文献748

　　第二十三章矿床地球化学754

　　第一节中国矿床地球化学学科的形成754

　　第二节中国矿床地球化学研究若干重要成果756

　　第三节中国矿床地球化学研究现状和发展方向759

　　主要参考文献774

　　第二十四章矿物化学787

　　第一节矿物化学的研究对象和研究方法787

　　第二节矿物化学学科的科学意义及其在国际上的发展概况789

　　第三节矿物化学学科在我国的发展历程792

　　第四节展望与期待798

　　主要参考文献799

　　第二十五章水热实验地球化学802

　　第一节中国水热实验地球化学学科的形成和发展802

　　第二节中国水热实验地球化学主要研究成果805

　　第三节发展趋势与建议812

　　主要参考文献813

　　第二十六章陨石学与天体化学820

　　第一节陨石学与天体化学的发展历程821

　　第二节中国的研究现状822

　　第三节中国陨石学与天体化学研究展望833

　　主要参考文献833

　　附录一中国地球化学学科大事记840

　　附录二中国地球化学家（已故）传略851

　　（本文编辑：刘四旦）