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地球化学在科学研讨中的实用性

 论文栏目:化学理论论文     更新时间:2013-1-3 11:36:12   

作者:郦桂芬 雷虎兰 徐淑荣

原始地球的物质组成和受到人类活动干予后的地球各要素的组成,是环境科学首先要研究的内容,也是认识地球环境质量的演化和人类活动对地球环境质量影响程度与范围的基础。而人类生产生活活动排放的各类污染物质的物理化学特性,进入环境(包括大气、水体、土壤、动植物、人体等)后的行为则是环境科学研究的核心。污染物的毒作用剂量标准、环境质量标准、排放标准以及污染控制技术和措施、人类活动对环境影响的预测等等,都要依据这一研究的结论。地球化学作为地球科学的一个分支,主要研究地球的化学组成、化学作用、化学演化及其控制因素。从它研究的内容可以看出,它和环境科学有很近的亲缘关系。至于它的分支学科如生物地球化学、区域地球化学、环境地球化学等,已经是环境科学的分支学科。随着环境科学研究范围的扩展和研究工作的深入,元素地球化学、同位素地球化学、有机地球化学、实验地球化学等也将加入环境科学的行列。

一个学科的形式和发展,一方面要在自身研究的领域内开拓,包括各项数据、资料的积累,理论体系的建立,研究手段和方法的充实与完善等,另一方面,要广泛吸取相邻学科的营养,有选择地继承和移植。只有使本学科深扎在由其他学科组成的肥沃土壤中,本学科才有可能得到丰富的供给而茁壮成长。地球化学与环境科学在研究对象和研究内容方面的某些共性决定了环境科学可以从地球化学中得到借鉴。从十七世纪中后期化学分析的出现开始,特别是十八世纪中期重量分析法的出现,许多化学家、矿物学家就曾对地壳某些部分的化学组成和有关问题从不同角度进行分析探索,并取得了部分矿物、岩石、水和陨石化学组成的定量资料。本世纪二十年代,以美国地球化学家克拉克为代表,广泛搜集了大量分析数据,得到了地壳中化学元素的平均百分含量,叫“克拉克”值。所有这些有关地球各层圈(大气圈、水圈、生物圈)及组成要素(岩石、土壤、空气、水等)的元素分布频率和相对丰度的结论,对闸明原始地球的化学组成,揭示环境背景值方面是有参考价值的。挪威地球化学家V、M戈尔德施密特从晶体化学入手,对化学元素在自然界分布的控制因素进行了长期深入的研究,并根据离子结构和与氧、硫元素的亲和性,对元素进行了地球化学分类,把元素分成亲铁、亲石、亲硫、穿气、亲生物等五类。苏联地球化学家费尔斯曼将元素分为惰性气体、贵金属元素、循环元素、分散元素、强放射性元素和稀土元素等6类。他们的工作和主要结论无疑对阐明污染物的环境行为和归宿具有指导意义。生物地球化学研究的各种生物对于地壳、生物圈中化学元素的迁移、富集和分散作用,对于我们研究污染物质的生物迁移和累积是有借鉴意义的。苏联地球化学家费尔斯曼和维尔纳茨基从物理化学原理研究了化学元素迁移的控制因素,并指出,元素迁移的因素可分为两类:与原子结构有关的内部因素和由环境条件决定的外部因素,提出了能量系数、价能量系数、共生序数等概念。他们的工作和有关结论,对于我们研究污染物质在环境中的迁移转化规律和控制因素是有一定指导意义的。环境地球化学研究人类环境中各种地质因素及其组合与人体健康的关系,人类活动对地表、水圈、大气圈中化学组成、化学作用、化学演化的影响及其与生命活动和人体健康的关系,这本身也就是环境科学研究的主要内容。地球化学研究的是有45亿年生命史的地球的化学组成、化学作用和化学演化,为了“浓缩”所要研究的作用的时间过程和空间范围,指示迁移转化的途径和机理,模拟实验和示踪试验是地球化学采用的主要试验研究方法。

模拟试验就是设计出模仿自然过程或作用的研究实验体系,以便在人为的调节控制下进行观察研究。它可分为现场模拟和室内模拟。示踪试验是选择适宜的示踪物让它参与研究体系的作用过程,包括物理的、化学的和生物的过程等等,通过示踪,研究者就可以感知过程的路径和机制,为揭示过程的规律提供依据。示踪试验可分为放射性示踪和特殊示踪物的示踪。在绝大多数情况下,示踪私模拟往往是同时进行的,在设计模拟试验的同时也就考虑示踪,以便通过示踪清晰显示模拟实验的过程和机制。现在,这些试验研究方法已广泛用于各个学科和各种过程,如生物学、医学、水文学、气象学等等,用来研究生物直至人体的生理生化过程,水动力学及水化学过程,大气物理和大气化学过程等等。环境科学作为一门横断各自然科学和社会科学的学科体系,显然,地球化学的上述研究方法在环境科学研究中是有广泛的应用和发展前景的。到目前为止,环境科学研究中已有许多模拟和示踪试验的实例,如模拟水体输送和净化过程的示踪试验,模拟大气输送扩散过程的示踪试验;研究疏浚过程底泥的二次污染而采用的放射性示踪试验;研究地下水的动力学和化学过程的示踪模拟试验等等。此外,污染物质在环境不同介质中的迁移转化和分配,污染物在生物体及通过食物链的迁移累积效应等,均可通过示踪模拟试验来研究。环境科学在断承和开拓中形成与发展,广泛吸取各学科的基础理论和研究试验方法,特别是它的近亲—地球化学的理论和试验研究方法,无疑会大大加速环境科学的发展。


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