除了少数现代的地质作用过程外,历史上的和现代深部进行的地质过程都不可能直接观察和研究。因此,地球化学与其他地球科学学科一样,必须主要采用“类比”和“反序”的研究方法,即根据作用产物提供的地球化学信息来研究并恢复已经历过的作用的历史和条件。因此,在开展地球化学工作时要善于观察和发现寓于各种地质现象中的地球化学信息。
地球的化学作用寓于地质作用之中,因此地球化学研究不能脱离基础地质工作,它的一般工作程序仍然是在研究任务的指导下采用先野外,后室内的工作顺序,并注意从对地质体的观察来提取化学作用信息,建立地球化学研究构思。地球化学工作对样品处理、测试方法和测试精度等常有自己特殊的要求,因而更需要建立某些专门的方法和测试流程。地球化学研究过程包括:通过对自然对象的观察和测试获取第一性资料;在地球时-空结构中整理和研究事实规律;反序地追踪历史。地球化学研究必须有确定的目标,样品必须有明确的代表性,并收集尽可能详实的基础资料,研究所获得的结果要能与宏观地质事实互相对照和验证。
0.4.2.1 地球化学野外工作方法
(1)现场观察宏观地质现象的时空结构,查明研究区内各种地质体的岩石-矿物组成及相互作用关系,并由此提供有关地球化学作用的空间展布、时间顺序和相互关系。
(2)依据野外观察得出的初步地质-地球化学认识,确定进一步研究的设想和采样方案。在样品的布局中应注意以下几个问题:①样品应有明确的代表性,要能代表一定产状的地质体,力求其化学组成未受后期作用的改造;②采集的样品应保证研究对象在空间上、时间上和不同成因产状方面的系统性;③当需要总结统计性规律时,要依据数理统计学方法来确定样品数,若样品的数量较少,则对采样代表性的要求就更高,分析测定的精度也应相应提高。
0.4.2.2 室内研究方法
地球化学的室内研究方法,需根据任务要求和工作条件选择确定。常用的研究方法有:
(1)灵敏精确的分析测试方法:地球化学经常处理的元素含量为克拉克值的级次,微量元素含量测定的灵敏度一般要求达到10-4%~10-7%。现代分析仪器已可以达到地球化学研究所需要的精度和灵敏度,如用化学光谱法测金,灵敏度已可达0.1×10-9,中子活化法的测金灵敏度可达0.04×10-9。常用的分析方法有:发射光谱、原子吸收光谱、火焰光谱、离子选择电极、极谱、X光荧光光谱、红外光谱、拉曼光谱、中子活化、发光分析、等离子体光量计法、同位素质谱分析法、等离子光-质谱分析等。还有一些专项分析技术,如测汞、测金、放射性测量等。
(2)元素结合形式和赋存状态的研究:对不易形成独立矿物的元素,应研究其赋存状态。常用的研究方法包括:化学分析、晶体光学法、物性和物相分析法、X射线分析法、差热分析法以及各种微区分析测定如电子探针等。专用于研究赋存形式的方法有:偏提取法、电渗析法、放射性乳胶照相法等。
(3)作用过程物理化学条件的测定:热力学参数中除温度、压力外,应包括体系的pH、Eh、fo2、盐度、离子强度、矿质浓度等参数,主要通过直接测定法和计算法获得待测参数数据。如包裹体测温和测压技术、微量元素温度计、矿物温度计、同位素温度计等研究法等都是测定和计算相结合的方法;对难以直接测定的热力学参数,主要通过计算法获得。
(4)自然作用的时间参数由同位素地质年代学方法获得,同位素测年可以求出地质事件的时间顺序和作用持续的时间。
(5)实验模拟自然过程:模拟研究属于正序研究,包括应用各种温、压设备和缓冲剂技术,在不同温压条件下进行相平衡实验和测定各种热力学参数,并可应用于研究元素迁移沉淀的条件和过程。实验研究使地球化学有可能考查地下深处或天体中正发生或地质历史中曾发生过的各类作用过程。由于绝大多数地球化学过程无法直接观察,模拟地球化学作用过程的方法受到广泛重视。模拟地幔、地壳和地表各种环境下化学过程的专门实验方法正在不断开发和完善。
(6)多元统计计算和建立数学模型:多元统计理论和计算机技术在地球化学研究中的应用,提高了资料整理的科学性、数据的利用率和计算工作效率;同时数学理论和方法的应用对深入揭示地球化学规律、科学地描述地球化学现象起到了推动作用。目前已对许多地球化学过程建立了数学模型,自然现象的参数化以及对地球化学开放体系中多变量、多组分反应的数学模拟等方面也已展示出美好的前景。
以上介绍的主要是地球化学研究的常规方法和手段,实际上地球化学的研究方法和实验手段日新月异。一方面,研究者不仅要学会掌握并善于应用各种常规手段和现代的研究方法,能依据研究任务的需要选择适用的研究方法,并重视方法技术的改进和完善;另一方面,一些专门研究手段对专门领域的研究意义重大,如行星探测器技术的发展对行星化学的研究进展有关键性的作用,这些专门技术的开发是学科进一步发展的技术保证。
地球化学有广阔的研究领域,可以说任何一个人穷其一生的努力也不可能成为地球化学所有领域的专家。但只要你对地球化学学科有浓厚的兴趣,经过认真地学习和实践,掌握了地球化学的基础知识、基础理论和基本方法,就完全有可能在地球化学的某一领域,如固体地球(或岩石圈)、矿产资源、能源、大气圈、表生环境、海洋、热动力学、同位素或微量元素等方面有所建树。学习和掌握地球化学的基础理论、方法和技术,将是向成功地球化学家迈出的第一步。
复习思考
(1)地球化学学科的特点和基本问题。
(2)地球化学学科的研究思路和研究方法。
(3)地球化学与化学、地球科学其他学科在研究目标和研究方法方面的异同。