[科普中国]-核地球化学

背景

地球包含着大量不同成因的放射性核素，例如，原始的天然放射性核素及其衰变产物、宇宙成因的放射性核素和人工放射性核素等。放射性核素的特殊性质使其可以用来作为不同地质过程的示踪物和地质计年。这些过程包括核合成，地壳一地幔体系的演化，生物圈、大气圈、水圈与岩石圈表面的现代过程等。

学科历史侯德封是我国地球化学和核子地质学的开拓者和奠基人。

在开展稀有元素、稀土元素和放射性元素的科研工作中，侯德封的学术思想有了新的发展。他考虑到，不仅有地球化学的作用，而且有核演变的问题，进一步认识到，物质不仅有核转变的形式和系统，而且有核转变能的作用。由于核转变与核转变能而产生的地质运动和地质现象，这就是核地质课题。

侯德封的核子地质的新观点，早在50年代末期 已经形成，1960年正式提出核子地质学的基本理论和观点， 并于1961年1月在中国科学院地质研究所稀有稀土元素工作总结讨论会上，作了学术报告，整理为《核子地球化学》一 文，于同年10月发表在《科学通报》上。此后，相继发表了关于核子地质的论文，阐明了核子地质的研究对象。核子地质的理论和观点，在国内当时是首次提出的，在国际上也极少看到有这方面的研究者。1974年出版了《核转变能与地球物质的演化》专著，使核子地质的理论进一步完善。1

研究内容及现状主要研究内容有：

①元素的起源、合成及丰度特征的研究。根据核科学理论，自然界中存在的所有元素是由不同的核反应合成的。约137亿年前的宇宙大爆炸首先合成了元素周期表中最轻的两种元素氢和氦。在随后的星际演化过程中，通过热核聚变反应、中子俘获核反应和其他一些核反应，合成了迄今人类已发现的所有元素。此外，利用核反应截面、入射粒子的能谱和通量等核参数，可计算出各种元素的天然丰度。

②同位素地质年代学。利用同位素的丰度变化以及放射性核素的衰变规律，研究太阳系（包括地球）形成的历史，以及在不同地质作用条件下地球物质的迁移规律。常用的有K–Ar法（包括Ar–Ar法）、Pb–Sr法、Sm–Nd法、Os–Re法（包括Os–Os法）、U–Th–Pb法等。利用这类同位素年代测定法，可推断出宇宙年龄的上限，以及银河系、太阳系及其各成员的形成年龄，还可用来测定各种地质标本的年龄。

③地球演化史中重要事件的研究。利用中子活化分析法、加速器质谱技术、同位素示踪技术等核方法，研究自地球形成以来的一些重大事件。典型例子是通过中子活化分析测定地层界线样品中的铱丰度，研究包括恐龙绝灭在内的生物大灭绝事件。诺贝尔奖得主L.阿尔瓦雷茨领导的研究小组首先利用中子活化法测得若干白垩系–第三纪界线黏土层中的铱含量异常的高，借以提出了在距今6,500万年左右，有一颗直径约为10千米的小行星撞击地球，从而导致了恐龙绝灭这一地外物质撞击模型，由此推动了地球演化史中五次生物大灭绝事件的研究。

④矿藏资源（包括海底矿藏资源）的调查。利用核分析方法具有多元素分析能力、抗干扰性强、可进行实时和动态分析等特点，核技术广泛用于金矿普查、铀矿勘探、各种稀有金属以及海底锰结核资源的调查等，亦可用于地质普查和月壤分析等工作。此外，还用核分析方法实现了对火星表面的实时分析，利用α射线轰击样品，产生X射线的反应，将火星表面的化学组成传输到远离450亿千米的地球上；还可用核技术验证地学中的一些重大基础问题，如板块学说、海底扩张学说、地磁反转、高分辨地层划分标志等。

学科思路1960年，侯德封提出核地球化学（核地质学）学科。其基本思路如下：

①基于元素是演变的认识，从原子核这个层次的变异来研究地球物质的形成、运动和演化。

②认为内能是地球演化的基本因素，地球物质演化的主要能源是核转变能。认为自然界普遍存在自发裂变、诱发裂变以及十几亿年存在着链式反应的可能。这些能量在地球早期熔化固体物质并使其分馏、形成地壳。

③核转变使地球的元素丰度和同位素组成发生变异。根据元素演变、核转化的思想，于六十年代上半期进行了内生铀矿元素共生、分散元素和稀有金属矿床元素的共生以及锂、铍、硼内生矿床共生元素核演化系统的研究，解释了矿床的元素共生以及稀有金属矿床的成因和分布规律，提出稀有元素矿床在中国“不稀有”的看法。侯德封认为，由于自然界的天然核反应事件，而形成矿床独特的元素以及同位素组合。2

基本观点核子地球化学学理论的基本观点是从物质是由基本粒子组成 的这一概念出发，去认识地球物质的性质和运动的规律。基本粒子的存在和运动是物质运动的内因。在总的物质运动的无限过程中，地球物质也是运动着的。从这一基本观点出发。

第一，组成地球的一切元素或同位素，在地球发展的自然条件下是可以转化的，而不是固定不变的。通过对同位素组成的研究，进一步认识元素共生系统和量与质的变化规律。

第二，物质运动是相互联系相互制约的。各种核结构储藏能量，核转变过程中释放出能量，这种能量又作用于地球物质，它产生的一系列地质作用，是地球物质演化的基本因素和动力。这就是核子地球化学的两个基本问题。近年来，核子地球化学已愈来愈多地为人们所接受。可以说，核子地质学， 包括同位素地质学是地质科学发展的新的生长点。