地球化学的每种理论,应用于解决地学问题,均构成一种研究方法。地球化学的基本研究方法主要是对地球系统及其各级子系统进行观察、取样分析、归纳和演绎研究;其次是实验模拟研究及数字模拟研究。现就地球化学一般研究方法简述如下。
1.地球化学野外工作方法
这里涉及的主要是人们肉眼可以直接观察的固体地球部分研究,至于大气圈、海洋和地外天体等研究方法,以及陨石的收集和研究,有专门书籍论述,在此不再介绍。
地球化学野外工作的目的是:观察了解宏观地质体的物质类型、结构构造及它们在时间和空间上的相互关系,在此基础上系统观察和收集寓于各地质体中的地球化学记录和信息,并采集具有明确代表对象和意义的样品。当然,观察收集信息及取样的侧重点应因研究目的不同而有所差别。
因为地球化学运动和作用寓于地质运动和作用之中,所以必须首先较好地了解研究区的地质背景,把握所研究地质作用的产物的特征和矿物岩石组成、结构构造及它们之间的时空关系和序列。这些均属于地质学的观察研究内容,可按地质编录或制图法进行。这部分工作是地球化学研究的重要前提和必要基础,是地球化学研究客观性的根本保证。
在野外观察建立了较好的地质研究的基础上,必须重视各类地质体中地球化学记录和信息的观察和收集,力求在野外工作阶段就能形成地球化学研究的构想或工作假设,从而保证室内研究能更有效地开展。常见一些年轻地球化学家研究中只有野外地质观察而缺乏基本的野外地球化学信息收集,似乎认为地球化学研究对象仅限于化学元素和同位素微观层次。地球及其层圈中的化学作用绝大多数都是通过化合物 (矿物)或物相之间的反应实现的,元素原子的相互作用只是这种反应的内在根据。化学、地学和地球化学今天的发展,已使地球化学从地质体的观察中直接获取地球化学信息成为可能。典型研究方法范例,见博伊尔 (R.W.Boyle)1979年出版的《金的地球化学及金矿床》。
如何进行野外地球化学观察和信息收集? 通常地球化学可以广泛应用矿物化学、岩石化学、化学及物理化学的知识和理论指导地质体的观察。例如,根据地质体的岩石和矿物组成,不需化学分析就可知道它们的大致化学组成,基于矿物间受类质同象控制的元素分配规律,还可粗略推测它们中比较集中的微量元素种类和组合;石灰岩是强碱弱酸的盐类,其岩层可起着天然溶液酸碱度调剂的作用,是影响元素迁移的碱性障;观察组成岩石的矿物共生组合及矿物的交代关系,可为应用相平衡理论研究地球化学作用奠定基础。例如,在硫化物矿床氧化露头中见到方铅矿 (PbS)依次被铅矾 (PbSO4 )和白铅矿(PbCO3 )交代的现象,就可推断硫化物矿石的氧化应依次经历硫酸盐和碳酸盐阶段,其环境应先是酸化、而后向碱性过渡,从而提出进一步检验这种推断的设想。此外,从物理化学观点看来,天然溶液进入张性裂隙是外压力的突然降低,岩石的糜棱岩化实质为物质颗粒变细增加表面能,从而增强化学反应速率,等等。通过地质地球化学野外观察,收集到足够的地球化学信息,再结合地质背景、条件与研究的目的,就可形成进一步研究的构想。
样品采集必须注意的关键问题是,样品应能确切地代表所要研究的地质对象,尽可能详细地了解其产出的地质背景、环境和条件;符合所要研究的目的。例如,为了解原始岩石成分需采集新鲜的岩石样品,为研究蚀变过程应按剖面采集原岩、半蚀变岩石到全蚀变岩石的系列样品。样品的规格和重量按需进行测试方法的要求确定;每种样品采集的数量应以具有统计学上的一定代表性为准。
2.地球化学室内研究方法
地球化学室内研究包括样品的加工、分选、预处理、岩石矿物鉴定和分析测试、数据处理,以及综合分析得出结论的全过程。
在野外观察和鉴别的基础上,为了准确鉴定矿物、岩石、矿石的成分和类别,确定矿物-流体相间反应关系,常需进行偏光和反光显微镜观察,对微粒和微区研究可以应用电子显微镜、X射线分析法、电子探针等仪器进行精确分析和鉴定。这方面需要特别强调的是,准确地鉴定矿物和岩石只是目的之一,而详细观察和了解岩石和矿石中矿物间的相平衡和反应-交代关系,以及矿物晶粒中的环带结构和成分变化等,具有更深入层次的意义。现代高精度的实验观测技术为实时实地准确地观测微细地球化学作用过程提供了条件。
为了获取各类地质对象的化学成分,除主量元素可应用常规化学或仪器分析方法测定外,其余大多数测定项目为微量组分,含量一般为克拉克值级次。对于这些微量元素的测定需要使用灵敏精确的分析技术,灵敏度一般要求达到 10-6～10-9。在这方面,现在常用的分析方法有:发射光谱分析、原子吸收光谱分析、火焰光谱分析、离子选择电极法、中子活化分析、等离子体光量计分析、质谱分析,以及一些专项分析技术,如测汞、测金、放射性测量等。可以根据研究目的,选用适用的方法,在满足灵敏度和精度要求的前提下,应考虑便捷、经济的原则,避免过度追求高精度、过多测试项目等。
进行同位素定年和同位素组成测定的样品,需根据样品性质、估计的可能年代范围,以及各种定年法和同位素测定分析法的特点和要求,选择质谱分析的类型及进行样品的制备和测定。
元素结合形式和赋存状态是制约元素地球化学行为及活动性的重要因素。其中主量元素形成各自的矿物或独立相,它们的结合形式根据矿物学的鉴定和研究确定。对不形成独立矿物的元素的赋存形式以及细粒岩石 (页岩、黏土沉积物、土壤等)中元素的赋存形式,则需应用专门的综合测试方法解决,包括:晶体光学法、物性和物相分析法、X射线分析法、电子探针等微区分析法,以及化学偏提取法、电渗析法、放射性乳胶照相法等。
地球化学作用的物理化学条件的确定包括测定和计算两类方法。如矿物流体包裹体测温和测压属于测定法;矿物温度计、微量元素温度计、同位素温度计等为测定和计算相结合的方法;而体系的pH、Eh、
在取得了上述各种实际资料和数据后,研究就进入了数据处理和资料整理,进而综合提炼并得出科学结论的阶段。数据处理和资料加工包括,按照研究的目的,应用地球化学多元统计分析的方法 (相关分析、判别分析、因子分析、聚类分析等)揭示研究对象数据和参数的分布形式、变异特征、相关程度、元素共生组合及其影响因素等;根据解决问题的设想,编制各种图件和表格等。此后,研究就进入了由客观向主观认识转化上升的思维过程,在这方面,辩证唯物主义认识论和前述的地球化学方法论具有关键性的指导意义。
3.地球化学实验模拟和数字模拟
开展实验研究,尤其高温高压条件下的实验研究,是地球化学探索必不可少的一种手段。实验研究的内容主要包括:地球化学所需自然化合物 (矿物)和化学物种热力学性质和参数的确定,元素在各种共存相间分配系数及同位素分馏系数的测定,极高温度和压力下矿物相变及超临界水流体溶液物理化学性质的研究,以及各类地球化学作用实验模拟的研究。这些实验使地球化学应用物理化学原理和进行定量计算成为可能,为地球化学对深部地幔物质成分的判断提供参考,使地球化学对各种自然和人为作用过程和机制的了解更加精确和深化。
在开展地球化学作用的实验模拟时,应注意使实验体系和条件尽可能地接近自然界的实际,这样才能获得有效和可信的结果。
各种地球化学体系的数字模型化研究 (如,岩浆作用过程中微量元素分配的定量模型),以及地壳、地幔、海洋等复杂体系的数字或计算机模拟,近年展现出不断增多的趋势被称为计算地球化学。计算地球化学既是地球化学向定量化发展的必然结果,同时也是对许多难以进行实验模拟的复杂自然体系定量研究的一种补充。
地球化学体系和作用过程的定量化数字模拟或建模,现在已广泛应用于解决地球化学问题,其中包括地球化学体系的质量收支平衡、反应的化学平衡、系统动力学、物质输运过程,以及上地幔、洋盆和岩浆房的化学演化等。地球化学数字模拟和建模的专著,如Francis Albarède 撰写的 Introduction to Geochemical Modeling (1995),Bethke 所著的Geochemical Reaction Modeling (1996 )和 Geochemical and Biogeochemical Reaction Modeling (2008)。我们必须高度重视这一发展趋势。