考察地球、地壳、地质体以至其他自然产物的形成和化学作用的演化历史,构成了地球化学独立的研究任务。以下通过介绍地球化学发展的不同阶段对学科的定义,来说明地球化学学科性质和任务的演变。
从“地球化学(Geochemistry)”这一术语不难看出,这一学科是“地质学(Geology)”与“化学(Chemistyr)”类学科相结合产生的一门边缘学科。1838年瑞士化学家舍恩拜因(Sch?nbein)第一次提出了“地球化学”这个名词。1842年他预言“一定要有了地球化学,才能有真正的地质科学”。20世纪前半叶,在结晶学、矿物学、物理学和化学等有关学科研究不断深入的基础上,地球化学学科应运而生。
在地球化学学科的建立阶段,不少学者提出过对“地球化学”的定义。В.И.韦尔纳茨基(1922)认为:“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)提出了类似的观点:“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.戈尔德施密特(1933)认为地球化学的研究应扩大到整个地球,他提出:“地球化学的主要目的,一方面是定量地确定地球及其各部分的成分,另一方面要发现控制各种元素分配的规律”。经典地球化学家给出的定义代表了地球化学发展的一个历史阶段,在这个阶段,地球化学主要研究地球中元素的分布、分配、共生组合,以及元素集中、分散与迁移的化学机制,即研究“地壳中的原子及元素行为”的阶段。
近半个世纪以来,地球化学的研究领域和研究思路都有了开拓性的进展。一方面,随着宇宙探测技术的迅速发展,对地球以外星体化学的研究工作日益增多,地球化学家已将宇宙化学的研究内容包括到地球化学的研究领域中来;另一方面,由早期注重元素行为的研究向较大自然系统(如地球、地圈)等形成过程的化学作用及化学成分演化等基础问题的研究转变,因而对地球化学学科有必要给出新的定义。美国全国地球化学委员会地球化学发展方向小组委员会(1973)给地球化学做出如下定义:“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”。该委员会还指出:“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”。1982年梅森(Mason)也提出“地球化学是研究地球整体及其各组成部分的化学的科学”,“地球化学阐述在地球范围内元素在空间和时间上的分布和迁移问题”。1985年涂光炽提出的地球化学定义为:“地球化学是研究地球(包括部分天体)的化学组成(chemical composition,chemical constitution)、化学作用(cheimcla action,chemicla process)和化学演化(cheimcal evolution)的科学”。
地球化学历经80余年的历史,虽然对它的研究范围、任务的认识已经有了一定的演变和发展:早期研究元素的历史主要解决成岩和成矿作用问题,现今主要通过研究地球的化学组成、化学作用和化学演化,解决地球、地圈、太阳系、行星的形成演化历史。现代学者对地球化学认识的进展,一方面表现为学科研究范围的扩大,另一方面对地球化学研究的着眼点也从“地壳中的原子”和“元素的行为”发展为地球的“化学组成”、“化学演化”,以至“地球和行星演化中的所有化学方面”。因此,地球化学的中心课题是通过观察和揭示这些客体的化学特性、所处的热动力学环境,以及在客体中或与客体有关的系统中发生的作用过程。也就是说,研究元素的行为已不是地球化学研究的主要目标,它已成为研究自然作用过程和地球演化的手段和途径。
根据以上理解,“地球化学是研究地球及其子系统(含部分宇宙体)的化学组成、化学机制和化学演化的科学”可能是对地球化学定义的简洁表述,它强调了地球及其子系统是地球化学研究的主要对象,而地球化学的基本研究内容是在地球及其子系统中发生的各种自然作用的动态机制和物质系统的化学演化历史。