人類誕生和發展於地球之上,對於地球上的萬物總想知道它們是由什麽組成的,無論我國和外國的古代人都曾在這方面提出壹些初期朦朧的見解,我國和希臘的古籍均有這類的記載。我國西周時期的“五行說”將地球上的自然物質劃分為水、火、金、木、土五行;古希臘哲學家亞裏士多德則把地球物質運動視為四元素 (火、氣、土、水)與四性(熱、冷、幹、濕)相結合的變換轉化。這些認識反映了人類對有關萬物是由少數元素組成的原始萌芽思想。但是在現代化學元素概念提出、原子分子學說建立和周期系中的元素被發現之前,真正意義上的地球化學是不可能形成的。正是由於 18 世紀後半葉 (1777年)拉瓦錫通過物質的燃燒實驗研究否定了“燃素”的存在,從而建立了化學元素的科學概念,才促進自然界元素的辨認和發現,並為原子、分子論和現代化學奠定了基礎。在基礎科學的發展和影響下,地質學竭力查明各類地質體及其組成礦物、巖石等究竟是由何種元素構成的,進而為了闡明各類地質體元素成分規律而導致理論地球化學的建立。
“地球化學”這個名稱早在 1838年由瑞士化學家申拜因 (Sch?nbein)首次提出,而後他在 1842年就預言:“壹定要有了地球化學,才能有真正的地質科學”,並斷言:“未來地質學家不會永遠追隨現在那些學者所走的路。地質學需要擴大範圍。壹旦化石不能滿足需要,勢必另找新的輔助手段。毫無疑問,那時必然要將礦物學、化學的研究方法引入地質學中,這已經為期不遠了”。然而,整個 19 世紀地球化學還是處於資料數據的積累階段,即主要收集壹般地質學和礦物學研究過程中分析得出的各類地質體——礦物、巖石、自然水體和大氣等的化學成分數據。當時地質體化學組成的分析和研究,許多年來都限於在歐洲的壹些實驗室進行,直到美國地質調查機構成立並於 1884年任命克拉克(F.W.Clarke)為首席化學師時起,壹個從事地球物質成分研究的化學調查中心在美洲大陸上建立起來。
克拉克任首席化學師達41年,他負責處理巨量和不斷增長的野外地質人員采集的礦物、巖石和礦石分析數據,研究這些數據的意義。1889年,他首次發表了經典論文《化學元素的相對豐度》,該文是應用已積累的巖石分析數據來確定地殼的平均成分與元素相對豐度的首次嘗試。1908年克拉克撰寫的《地球化學資料》(Data of Geochemistry)壹書問世,首次發表了關於地殼中 50 種元素的平均含量或豐度的總結資料。此後近20年中該書五次再版。1924年發行的最後版本至今仍不失為有重要價值的地球化學參考資料。值得註意的是,盡管當時的數據並非足夠精確,克拉克卻能從中得出某些重要的科學預見。例如,把地殼中元素的豐缺與元素起源和原子穩定性聯系起來的設想等。
1900年左右,門捷列夫周期表中預測的元素大部分被發現。在 20 世紀最初 20年內,原子結構和組成、分子結構和化學鍵學說先後建立,而熱力學已廣泛應用於化學,為地球化學由資料積累向理論學科發展奠定了必要基礎。因此,20 世紀 20～40年代是地球化學成為壹門獨立成型學科的奠基和形成階段。由於克拉克開拓了地殼化學組成研究的方向,他被認為是地球化學的奠基人。
1904年美國華盛頓卡內基研究所 (Carnegie Institute)建立的地球物理實驗室,開辟了地球化學發展的新方向。該實驗室的方針是在有控制的條件下進行仔細的實驗研究,並將物理化學原理應用於地質過程,由此大大推動了地球化學的發展。例如,N.L.鮑溫(1928)關於巖漿反應序列的實驗結果至今仍具有重要意義,它展示了玄武巖漿分異的全過程,即如何從壹種貧矽、富鎂鐵的熔體通過結晶分異演化出壹種富矽、貧鎂鐵的巖石的整個過程,這對於由上地幔演化出地殼這壹過程的闡明有很大幫助。
同壹時期,在北歐挪威也發展出壹個地球化學學派。這個學派由沃格特 (J.H.L.Vogt)和布羅格 (W.C.Brogger)創立。後來由於戈爾德施密特及其同事的卓越研究成果而馳名於世。戈爾德施密特 1911年畢業於奧斯陸大學,他的博士學位論文《克利斯提阿尼阿地區 (奧斯陸舊稱)的接觸變質作用》就是對地球化學基礎理論的壹個貢獻。該文應用相律來研究頁巖、泥灰巖和石灰巖由於接觸變質作用所引起的礦物組成或組合變化,從而證明可以應用化學相平衡原理來闡明這些變化。
1912年是地球化學發展的重要壹年,勞埃 (von Laue)證明了晶體中原子的規律排列對於X射線能起著衍射光柵的作用,從而導致發現能確定固體物質原子排列結構的方法。自那以後,地球化學家大量開展固體物質化學的研究,並取得豐碩成果。這方面的發展,戈爾德施密特是功不可沒的。他的遠見卓識使他為地球化學完成了大量礦物晶體結構的測定,獲得了豐碩的成果。從1922—1926年,在奧斯陸大學,他和他的研究集體觀測了許多化合物和礦物的晶體結構,測定了元素的離子半徑,從而建立起壹個廣泛堅實的基礎,能夠確立控制元素在結晶物質中分配的壹般規律。此後他應用自己創立的晶體化學原理,結合定量光譜分析方法,開展了個別元素地球化學的研究。1933年戈爾德施密特總結提出了晶體化學第壹定律,成功地運用原子和離子半徑及極化效應闡明了元素的***生組合和類質同象替代關系,並擬訂了元素的地球化學分類。第二次世界大戰打斷了戈爾德施密特的研究工作,並摧毀了他的健康,他於1947年逝世 (享年59歲)。在戈爾德施密特去世後,由繆爾 (A.Muir)於 1954年編輯他的部分研究成果撰寫成地球化學的經典之著《地球化學》。該專著是戈爾德施密特遺留給世人的重要遺產。
20 世紀20～30年代,壹個重要地球化學學派在蘇聯發展起來 (1917年前已開始工作),維爾納斯基 (1863—1945年)及其學生和同事費爾斯曼 (1883—1945年)是這個學派的核心和創始人。維爾納斯基發展了礦物成因及其歷史的研究方向,他認為研究礦物學必須具有地殼中元素分布和遷移的知識。他對自然界元素***生、遷移等問題作了許多研究;創立了生物地球化學和放射性元素地球化學等分支。1924年出版了專著《地球化學概論》。費爾斯曼對當時已積累的大量地球化學資料進行了系統全面的理論綜合,創立了地球化學作用過程能量分析的原理和方法,開展了有關偉晶作用的地球化學研究,開創了區域地球化學研究方向。他廣泛應用地球化學知識來研究礦物原料工藝;他最早提倡地球化學找礦方法,於 1940年出版了《地球化學及礦物學找礦方法》。1934～1939年間,費爾斯曼寫成了巨著《地球化學》四卷集。
綜合分析20 世紀前半葉地球化學的發展途徑可以認為:①地球化學的孕育和形成是地質學引入化學理論和方法認識地質現象,並推動地質學深入和精確化發展的結果。應用化學和物理化學理論可以對大量地質觀測資料從微觀原子和離子視角闡明元素分布、分配和遷移的規律,並根據熱力學理論探討自然作用過程。②人類社會經濟發展對礦產資源不斷增長的需求,則成為促使地球化學發展的重要動力。