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什么是地球化学?

黄方

什么是地球化学?

地球化学是地球科学和化学的交叉学科。地球化学的起源至少可以追溯到卢瑟福和居里夫人对放射性同位素的研究,由此诞生了放射成因同位素地球化学,人们可以对地球进行精确定年。在布拉格用X射线衍射测定晶体结构后,戈尔德施密特将元素根据亲和性进行分类,这是元素地球化学的起源。而稳定同位素地球化学起源于尤里对氧同位素的研究,从此人们可以对古老地球样品进行温度测量。结合同位素地球化学和元素地球化学,人们可以严谨的剖析地球复杂的演化历史,预测地球和生命的未来。由此可见,地球化学的诞生直接来自于其它学科的进步,最早的基础是物理和化学,之后可以拓展到生物、统计、工程、生态、计算机等等学科。

可能和很多人的理解不一样,我理解的地球化学包括两个方面,即地球化学是什么和地球化学能够做什么。前者是基本原理,后者是重要应用。按照这个原则,在地球和行星的物理和化学条件下,自然界的一切化学性质和组成均是地球化学研究的范畴;了解其基本原理之后,才可以对重要的地球科学问题进行研究,其中包括地球起源和演化,成矿过程,环境治理与保护,人与自然等等。地球化学的研究对象极其宽广,可以是太阳行星陨石,岩石矿物,动物植物,土壤大气,水和食物,甚至包括城市规划等等。

地球化学不是地质学的一部分。地质学在诞生的很长时间内,还停留在描述现象的阶段,及对地质现象分门别类,最多是进行定性的总结,因此被聪明的Sheldon Cooper博士(美剧“生活大爆炸”里的一个主角)鄙视,“geology is not real science”。地球化学的出现使得地质学的研究进步到了定量的阶段,因此它和地质学、地球物理一起,构成了地球科学的基石。当Sheldon了解地球化学同事Bert的工作后,他对Bert的成就非常嫉妒。那种把地球物理当成一级学科,而把地球化学当成地质学下面的二级学科的划分方式是极其错误的,严重干扰了地球科学的发展,本末倒置,不符合科学发展的基本规律。机械划分学科带来的危害,这就是最“血淋淋”的例子。

我国岩石地球化学发展得非常好,产出了很多世界瞩目的成果,例如好几个单位的定年技术已经是国际领先。地球化学在海洋、古生物等领域的应用也做得很好。但是有些国内年轻的学生就是认为地球化学来自于地质学和岩石学,就是定年示踪的。这种误解实际上和我们的教学有直接的关系,不能怪学生们。就像朱炳泉先生指出的,很多高校的地球化学教学也无非是老一套的岩石地球化学,壳幔混合,成岩年龄,成矿过程,大气降水加岩浆水等等陈旧老化的内容。学科的不恰当划分和教学内容的老化导致学科发展走偏,越走越窄,对交叉学科的理解不够,做交叉的成果得不到应有的承认,甚至变成了一件风险很大的事情。学生培养受限,眼界和知识面狭窄,研究的方向同质化非常严重,学术人才近亲繁殖,学科评估看重数量和数字。但是这些问题都不是地球化学本身的问题,恰恰是偏离了地球化学初心才出现的问题。

地球化学的未来在哪里?

一方面还是要不忘初心,积极主动的发挥拿来主义,把其它学科的先进理念和方法为我所用,去解决地球科学以及其它学科的前沿问题。利用先进的计算机技术和量子化学计算取得的进展,我们可以对同位素的分馏和元素的分配开展理论计算,突破实验室的物理条件限制,我们把研究领域可以拓宽到无限的时间、温度和压力范围,从地核深部到太阳系行星的超冷体系,从平衡态到极端不平衡态,从超新星爆炸到大碰撞过程。结合现代物理和化学测量技术的进步,我们可以开拓原位、微区、无损的测量方法,可以得到更多、更准确、更精细的观测结果,揭示前所未有的重要发现。结合大数据、人工智能和机器学习,我们可以更好归纳总结近百年的地球化学和地球物理观测数据,站得更高就能看得更深远。

另一方面是地球化学要主动的、勇敢的走出去,去应用到各种重要而且有趣的领域中。在传统的地球科学研究领域之外,地球化学可以和生物学、医学结合,去探寻营养元素运移的规律;和食品工业结合,去研究高价值食品的溯源问题;和土壤环境结合,为污染治理提供关键参考方案;和城市和乡村规划结合,让我们的城市和乡村更加干净;和考古学结合,用同位素和元素示踪去揭示人类文明发展的脉络;和环境工程结合,为人类提供更适宜的生活环境。我们也可以利用同位素和元素去研究基本的物理和化学问题,交叉的领域往往藏有知识的宝藏。我们需要做更多的科普,吸引政府部门和社会大众的兴趣,将我们的知识传播到社会的每个角落。

地球化学的人才培养遇到较大的困难,很多知名高校的学生大量流失到其它学科,中国科大不是例外。这是地球化学的危机,我们也应该看到希望。眼下的困难实际上是地球化学学科审视自我重新出发的机会。地球化学工作者应该回归本源,科研工作应该跳出岩石矿物和学科划分的窠臼,以全新的思路开展地球化学研究。教师们也应该从物理、化学和数学出发,从基础来讲述地球化学的基本原理,用生动的案例激发学生的兴趣,以全球性的大问题来提高学生的科研品味,中国科大在这方面的资源非常丰富。地球化学是理科,具有深刻的逻辑和数理基础,不是一门念念教材、背背概念的水课。中国拥有地球化学专业的高校不少,老师们有责任做得更好。

找到出发时的初心,面向快速变化的未来,我们应该行动起来,凸显地球化学的战略地位。地球化学不仅是工具,更是独特的重要的学科体系。我对地球化学始终充满信心!

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